区块链工作量证明

工作量证明（PoW）是一种区块链共识方法，它需要网络中的大量计算能力。Hal Finney 在 2004 年将“可重用工作量证明”的概念与 160 位安全哈希算法 1 (SHA-1) 应用于数字代币。Finney 工作量证明概念的第一个流行实现是比特币，它于 2009 年推出（Finney 也收到了第一个比特币交易）。许多其他加密货币也采用工作量证明作为一种机制。

重要提示

1. 工作量证明（PoW）是一种去中心化的共识方法，它要求网络参与者付出努力来解决一个加密挑战。
2. “挖矿”也是工作量证明的另一种说法，指的是通过完成的劳动获得报酬。
3. 工作量证明可以实现安全的点对点交易处理，而无需可信的第三方。
4. 大规模工作量证明需要大量的能源，而且随着越来越多的矿工加入网络，这种能源需求只会增加。

理解工作量证明

在某些公共区块链中，工作量证明的概念被用来证明一个程序已完成必要的任务，以便将新区块提议添加到链中。由于一旦有证据表明任务已诚实完成——在这种情况下，“诚实”意味着没有试图操纵数据——网络共识最终得以达成，因此它有时被称为共识过程。

为了提供工作量证明，一个数据块通过哈希算法进行处理，并且可变字段被调整，直到获得一个十六进制数，该数小于网络的难度目标。这证明了软件利用处理能力“哈希”该块，直到找到解决方案。

工作量证明和共识

这是比特币区块链工作量证明过程的简要概述。首先，工作者（也称为矿工）创建一个临时文件（一个块）。如果该文件在寻找获胜哈希的竞赛中获胜，它将被保存在区块链上。块中的四个字段如下：

1. 块维度
2. 区块头
3. 交易计数器
4. 交易

区块头包含以下字段：

1. 软件版本
2. 上一个区块的哈希
3. 默克尔根
4. Timestamp
5. 目标难度
6. Nonce

该块由挖矿程序组装，该程序然后将其优先处理的交易放入交易字段。它使用哈希方法传输块中的数据，并不断修改 nonce 和附加 nonce（它是默克尔树中 coinbase 交易的一部分）。

它会一直执行此过程，直到找到一个值小于或等于难度目标的值。根据难度目标，在找到解决方案之前，每秒必须尝试一定数量的哈希。例如，在 2024 年 5 月 17 日，第 843,900 个块的难度目标为 83.148T，即每位矿工每秒尝试 83.148 万亿次。

该块的获胜哈希是

000000000000000000033028b3c8296ed776653032030cd01290f4345f5a9b6e

该哈希使网络能够验证矿工是否完成了任务。在将该块添加到区块链后，网络便开始朝着共识努力。

协议

在块被关闭并添加到链中之后，共识——区块链证明中最常关联的特性——就得以实现。每个矿工在努力提议未来区块并创建获胜哈希的同时，都会验证每个新添加的区块。每个矿工都会通知网络它验证的区块是合法的。通过使用前一个区块的区块头哈希，新区块构建了一个证据链，最终导致网络共识。这些证明是达成共识的基础，因此它们被称为共识过程。

为什么使用 PoW？

在节点缺乏相互信任的情况下，共识机制的目标是让所有节点达成一致或相互信任。在验证完每笔交易后，新区块将被添加到区块链中。该块将被添加到具有最长区块高度的链上（有关可能同时存在的链的数量的更多信息，请参阅区块链分叉）。为了将区块添加到网络，矿工——网络上的特殊计算机——执行计算工作来解决一个复杂的数学问题；这个过程称为工作量证明。随着时间的推移，数学问题变得越来越复杂。

为什么使用 PoW

共识机制旨在在缺乏相互信任的情况下，让所有节点达成一致或相互信任。在将新区块添加到区块链之前，会验证每笔交易。该块将被添加到具有最长区块高度的链上（有关多个链可能同时存在的详细信息，请参阅区块链分叉）。工作量证明是一种机制，矿工（网络上的专用计算机）通过该机制执行计算劳动来解决复杂的数学问题，从而将一个区块添加到网络中。

随着时间的推移，数学问题变得越来越复杂。

采矿

要将新区块添加到比特币网络，工作量证明共识机制需要解决一个计算上困难的难题。“挖矿”是指该过程，而“矿工”是指网络中执行挖矿的节点。

经济回报，竞争性矿工将获得 6.25 枚比特币以及名义上的交易费用，这是挖矿交易的动力。

随着时间的推移，该奖励的当前价值将减半。

挖矿中的能源和时间消耗

确认需要添加到块中的交易、将它们按时间顺序排列在块内以及通知整个网络块已挖出的过程，并不需要太多能源或时间。解决将新块连接到合法区块链中的最后一个块的“困难数学问题”是能源密集型部分。PoW 协议向将正确答案同时广播到整个网络的节点提供加密货币奖励（奖励），在矿工最终找到它之后。

挖矿激励

在比特币网络中，获胜的矿工现在可以获得 6.25 枚比特币来挖出一个区块。每四年，获得的比特币数量就会减半。因此，按照目前的增长速度，下一次比特币数量的削减将在 2024 年左右进行。随着矿工数量的增加，挖出一个新区块所需的时间必然会减少。

因此，新区块的发现速度更快。为了可靠地每十分钟发现一个区块。比特币网络会定期修改挖出一个新区块所需的难度级别。（这是比特币开发者认为稳定且不断减少的新币流入量直到达到最大数量 2100 万枚所需的平均时间（预计在当前速率下大约是 2140 年）。）

比较权益证明和工作量证明

权益证明和工作量证明是两种最常用的共识技术。在 2022 年 9 月切换到权益证明之前，以太坊，比特币的主要竞争对手，在其区块链上使用了工作量证明。以下是两者之间的一些主要区别。

工作量证明

• 矿工网络执行验证。
• 比特币支付交易费用并作为奖励
• 竞争需要大量的努力和计算能力。

权益证明

• 质押以太作为抵押品的参与者执行验证。
• 以太仅用于支付交易费用。
• 能源和计算能力使用减少
• 由于障碍较小，共识形成速度更快。

许多人参与工作量证明挖矿过程，希望从中获利。由于可挖矿加密货币的市场价值，企业已经接管了大部分工作量证明区块链使用的计算能力。例如，在 2024 年 5 月 17 日，FoundryDigital 在比特币网络上拥有最高的哈希算力，为 175 EH/s（总计 673 EH/s）。Digital Currency Group 是一家风险投资公司，曾为数百个加密货币项目提供资金或投资，是 Foundry Digital 的所有者。像比特币这样的工作量证明加密货币被设计为由私人公民出于自身利益而使用和托管。然而，为了经济利益而整合了系统的公司迫使人们退出了它们。

区块链工作量证明示例是什么样的？

Litecoin 和 Bitcoin Cash 都使用工作量证明作为共识技术。

为什么需要工作量证明？

当今金融系统的基础是信任。然而，在金融事务方面，某些人不可靠的情况已反复证明。由于证明是代码，因此无需相信他人正在以诚实的方式行事。如果代码是出于高尚的意图编写并且由于不被金钱诱惑而无法更改，那么代码就可以取代我们对陌生人的信任。

PoW 的困难

以下是工作量证明共识机制的一些难题：

1. 51% 风险： 如果一个控制实体拥有网络的大多数（51% 或更多）节点，则它可以破坏区块链。
2. 耗时： 为了挖出块，矿工必须检查大量的 nonce 值，以确定谜题的正确答案。这需要大量时间。
3. 资源消耗： 为了解决复杂的数学难题，矿工会消耗大量的计算能力。因此，宝贵的资源（金钱、能源、空间和硬件）被浪费了。到 2028 年底，交易验证预计将消耗全球 0.3% 的电力。
4. 非即时： 交易需要十到六十分钟才能确认。由于挖矿交易并将其放入区块链需要时间，而且交易被提交，因此它不是即时交易。

结论

许多加密货币采用工作量证明作为共识方法，以验证其区块链上的交易并向网络参与者授予代币。使用公开可用的交易数据，这是一种竞争方法，旨在为该挖矿周期生成一个低于网络目标的十六进制数。