詳解：什麼是區塊鏈工作量證明 (PoW)？

區塊鏈通常透過比特幣中本聰共識的棱鏡來感知。但要詳細瞭解什麼是工作量證明，必須密切關注可持續 PoW 的實施。

工作量證明（通常縮寫爲 PoW）是一種共識算法，用於防止 51% 攻擊或雙重支出。像比特幣這樣的加密貨幣正在使用PoW共識來確認交易並生成添加到鏈中的新區塊。礦工透過 PoW 競相完成網絡交易，以此獲得速度和準確性獎勵。

主要收穫：

• 瞭解工作量證明的概念以及如何使用它來保護區塊鏈網絡。
• 瞭解礦工實際解決的數學問題，以及這些計算對整個社會的影響。
• 使用工作證明共識，瞭解參與挖礦過程的人員。
• 瞭解哪些加密貨幣仍然依賴於工作證明，以及爲什麼以太坊選擇硬分叉到以太坊 2.0。
• 全面瞭解爲什麼質押證明共識比工作證明更安全、更公平。

如何在區塊鏈上應用工作證明？

區塊鏈工作量證明共識算法是最古老的共識機制和最受歡迎的算法。當然，由於許多原因，它的受歡迎程度可能有所提高。但其聲譽的主要理由是其能夠在去中心化生態系統中促進誠實。儘管可能還有其他算法，但 PoW 仍可持續實現拜占庭容錯 （BFT） 目標。 

爲了充分理解 BFT 的意義，BFT 是一個能夠抵禦與拜占庭將軍問題相關的故障的系統。這意味着網絡可以避免某些節點（或礦工）試圖採取行動反對共識的情況。在 BFT 特性的幫助下，PoW 算法的工作方式使得節點可以透過解決複雜的數學問題來驗證網絡內的區塊。

第一個獲得數學問題解決方案的人獲得了共識許可，可以選擇將區塊添加到區塊鏈。作爲交易所，成功節點將獲得代幣作爲獎勵。例如，在比特幣網絡中，獎勵以 BTC 爲單位。

最終，PoW 共識創造了一個相對健康和透明的封閉經濟。主要是爲了鼓勵用戶繼續維持生態系統。

PoW 涉及哪些數學問題？

這些複雜的數學問題是指多種罕見的算術併發症。最重要的是，這些問題需要充足的計算能力才能解決。

從拜占庭通用問題到複雜的哈希函數，一應俱全。例如：

• Ahash 功能涉及透過輸入生成特定長度的隨機輸出的過程。雖然哈希值是一個數值（或目標），用於決定誰準確挖礦區塊。
• 解決由合成數分解爲較小整數以及質數限制和乘法組成的整數因子化問題。
• 該協議可作爲應急拼圖協議，在需要指定訂單的 DoS 攻擊中保護網絡安全。與其解決某個職能，不如尋找根本原因。

因此，每成功驗證一個區塊，就會獲得獎勵來彌補工作量。然而，隨着網絡的發展，可擴展性和安全性是主要挑戰。哈希能力與拼圖的複雜性並行增長。因此，引入質押證明是爲了應對工作證明的缺陷。

誰創建了工作證明？

PoW共識是在比特幣網絡問世之前建立的。PoW算法於1993年推出，Mone Naor和Cynthia Dwork發表了一篇文章來阻止DoS攻擊。本文主要討論了該算法在防止欺詐方面的潛力及其長期可持續性。

在 Satoshi Nakamoto 以比特幣區塊鏈中的 PoW 算法而聞名之前，計算機科學家和加密活動家 Hal Finney （Harold Thomas Finney II） 於 2004 年推出了另一種名爲 RPoW 的系統，即可重複使用工作證明。系統透過接收不可兌換的或不可抵扣的 Hashcash 工作證明代幣來運作。作爲回報，創建了一個 RSA 簽名的代幣，然後可以在個人間進行轉移。 

工作證明算法的另一個早期例子是 Adam Back 的 HashCash。它要求發送方在發送電子郵件前執行少量計算。因此，接收者可以減少垃圾郵件。 

PoW 與比特幣 Nakamoto 共識有何關聯？

PoW 採用一種模型，讓節點解決數學難題，生成添加到網絡中的下一個區塊。產生下一個區塊的區塊領導者將以類似於抽獎的格式進行選擇，該格式直接對應於其爲該過程貢獻的計算能力（即哈希）。PoW 共識模型主要涉及兩個參與者：礦工和全節點操作員。 

礦工

參與計算的節點稱爲礦工，解決問題的過程稱爲挖礦。礦工社區需要開展大量工作來解決每個連續問題。節點創建區塊後，PoW 即可輕鬆驗證導致解決方案的流程。

節點

節點需要花時間進行繁瑣的計算。因此，該過程消耗了大量電力，這對環境有害。網絡中的去中心化節點必須使用個人礦工的工作證明機制來驗證「挖礦」的區塊鏈加密貨幣。

驗證者

基於加密證明和比特幣共識規則，全節點運營商是網絡狀態的最終驗證者。完整節點客戶端也可以是礦工，拒絕網絡上的無效區塊和交易。驗證者在工作證明共識機制下在區塊鏈網絡中批准交易平均需要 40 分鐘和 60 分鐘。

PoW 的安全性如何？

工作證明算法非常安全，因爲它能夠承受 BFT。此外，其運作方式使其更加安全。此外，每個區塊的哈希值都包含前一個區塊的哈希值；這提高了安全性，並防止了工作證明區塊鏈上的任何區塊違規。 

要更改區塊，礦工需要使用相同的前身創建新區塊。其中，需要重新生成所有繼任者，並重新完成他們所持有的工作。因此，區塊鏈可以避免安全篡改。

PoW 的利弊 

優勢

• 遠離 DDoS 攻擊。
• 公平透明。
• 礦工持有的加密貨幣數量不足的影響。
• 鼓勵公衆關注維護健康的網絡。

弊端

• 購買專業設備、外設和電力的電腦成本高昂。
• 它們是非常複雜的難題，在教育或日常任務中不具有附加價值，而僅可用於驗證區塊。
• 這使得區塊鏈更加中心化，反對去中心化。
• 挖礦將逐漸消失，因爲獎勵不再吸引人。

哪些代幣正在使用工作證明？

比特幣仍然是使用PoW共識的最熱門代幣。然而，還有許多其他代幣使用該算法。儘管在減半期之前，比特幣仍然有利可圖。但許多礦工正在尋找替代方案，因爲挖礦區塊的成本更高，也更難挖礦。

當然，每個人都會開始問什麼是最好的加密貨幣。下面是我們的調查結果： 

Litecoin：與比特幣類似，Litecoin 也採用 SegWit，透過從網絡中移除數據來增加區塊大小限制。Litecoin與比特幣的區別在於其以更低的成本實現閃電般的交易時間。

DASH：它在加密貨幣領域擁有更快、更私密的交易。即時交易是礦工投入 DASH 時間的加點。

Monero：這是另一種使用 PoW 共識的熱門替代幣。作爲開源加密貨幣，Monero 專注於透過公共賬本實現可替代性、隱私性、透明度和去中心化。

比特幣現金：是比特幣網絡硬分叉的衍生山寨幣。雖然它使用PoW，這似乎是一個安全的共識，但比特幣現金是51%攻擊的嚴重破壞受害者之一。  

ZCash：與任何加密貨幣不同，它旨在透過匿名方式提供隱私保護。Zcash 網絡使用與比特幣相同的工作量證明 SHA-256 哈希函數。

以太坊經典：儘管以太坊 2.0 即將上線 PoS。以太坊 Classic 仍在使用 PoW 共識來保護其網絡。然而，由於它只是一個少數族裔鏈，以太坊經典版更容易受到 51% 的攻擊，導致代幣的雙重支出。

質押證明是否優於工作證明？ 

近年來，越來越多的爭論支持加密貨幣領域的權益證明 （PoS）。在比較PoS與PoW時，許多專家認爲PoS無疑優於PoW。PoW的主要論點之一是，它需要大量的計算能力，這非常耗能，會對環境產生負面影響。以比特幣爲例，維持比特幣網絡所需的平均能源量比整個瑞士國家使用的要多。 

此外，PoW 共識處於中心化高風險中。這一共識因其低性能容量和鏈上交易執行的可擴展性而受到仔細審查。

通常，PoS算法還爲其用戶提供了更好的經濟效益（分拆），使他們能夠運行主節點或在平台上投入代幣進行下注和主代碼。從長遠來看，它更公平、更可持續。 

結語

作爲最初的共識機制，PoW 融合了遊戲理論激勵、分佈式計算、社會共識、市場經濟學和加密證明。區塊鏈技術讓網絡能夠以安全、可持續、分佈式的共識運作。

無論未來是否會有更多區塊鏈流向 PoS，PoW 都標誌着計算和遊戲理論設計的重大創新。