1 PoW機制

工作量證明（Proof-of-Work，PoW）是一種對應服務與資源濫用、或是阻斷服務攻擊的經濟對策。一般是要求用戶進行一些耗時適當的復雜運算，并且答案能被服務方快速驗算，以此耗用的時間、設備與能源做為擔保成本，以確保服務與資源是被真正的需求所使用。

• 工作量證明的特點是什么？
  即是難于計算，卻易于驗證。
• 產生工作量的方法是什么？
  不斷哈希不同的值， 直到哈希值符合一定的條件。
• 工作量證明如何驗證?
  接收方對證明進行哈希， 看是否符合上述條件，可以快速驗證。

2 比特幣如何使用PoW共識機制

比特幣的共識機制就是PoW共識，借鑒了HashCash的處理方法， 下面就來說說比特幣如何進行PoW共識的。

從區塊頭的結構中可以看到一個4 bytes的Nonce值，Nonce值的變動會影響整個區塊頭的哈希值，挖礦節點即是通過嘗試不同的Nonce值（通常從0開始每次加1），尋找一個哈希值小于Difficulty Target指定的難度值。

SizeFieldDescription

4 bytes	Version	區塊版本號，目前為2
32 bytes	Previous Block Hash	前置區塊（父區塊）的區塊頭Hash，Hash算法為double-SHA256
32 bytes	Merkle Root	區塊中交易Merkle樹根
4 bytes	Timestamp	區塊創建UNIX時間戳
4 bytes	Difficulty Target	工作量證明算法難度
4 bytes	Nonce	通過變動該計數器來達成工作量證明要求的結果

3 PoW證明過程

PoW證明過程，這也就是俗稱的挖礦過程， 找到合適的哈希值。
這里不詳細說明區塊打包過程， 區塊通過一定的算法被生成， 當然生成是需要一定的代價的。
區塊頭里的各個值并不是隨機的， 而是由固定的算法得出， Merkle根哈希值就是把交易打包變成一顆Merkle樹， 最后得出根的哈希值， 難度值是根據算法不斷調整， 要維持出塊速率是10分鐘出一個塊。

首先我們把所有交易打包生成Merkle樹， 計算Merkle根的哈希值， 然后組裝區塊頭， 把區塊頭不斷進行SHA256(SHA256(區塊頭))雙重哈希操作， 然后判斷是否小于網絡目標值， 這里其實就是把它變成2進制， 二進制前面有多少位是沒有0的， 因為有1的話， 這個十進制的值肯定是很大的， 就不會符合條件。 如果大于這個目標值， 說明前面的位數沒有滿足前多少位為0的條件 哈希不成功， 那么就改變隨機數值，組成新的區塊頭，繼續哈希。
這是就是是挖到礦了，其他節點驗證的話也簡單，只要做一次SHA256(SHA256(驗證區塊頭))來判斷。

挖礦難度

比特幣挖礦難度調整方式非常簡單，難度目標調整即不斷將256位的難度值減小，如277315號區塊的難度值十六進制表示為：0x0000000000000003A30C00000000000000000000000000000000000000000000
這個數字在二進制表示下前60位均是0，如果要增加難度只需要減小這個值，隨著難度值的減小，起始0的個數增多，可尋找的哈希值范圍減小，挖礦難度就越大。

難度調整

難度的調整是在每個完整節點中獨立自動發生的。每2016個區塊，所有節點都會按統一的公式自動調整難度。如果區塊產生的速率比10分鐘快則增加難度，比10分鐘慢則降低難度。
公式可以總結為：新難度值=舊難度值×（過去2016個區塊花費時長/20160分鐘）

4 POW的優缺點

優點

• 去中心化，將記賬權公平的分派到其他節點
  記賬權是通過看節點的PoW， 誰挖礦最快， 誰就能拿到這個礦
• 安全性高，破壞系統需要投入極大的成本
  因為獲得正確哈希值的概率和算力成正比， 如果沒有掌握51%的算力就不能作弊。這樣代價要高于誠實挖礦，所以安全性高

缺點

• 會造成資源浪費
  因為挖礦需要大量的哈希運算，需要電力和各種算力資源，而且找到合適的哈希值實際上并沒有其他的作用
• 網絡性能太低
  因為比特幣出塊的時間是10分鐘， 所以交易確認至少需要10分鐘，而且目前支持支持每秒7筆交易的速度，不適合商業用處。
• PoW共識算法算力集中化。
  目前挖礦礦池是主力， 算力高的礦池有選擇權， 持本人么有參與決定的權利

思考

１：挖礦過程為什么要計算兩次哈希值？
中本聰在設計比特幣的挖礦算法的時候，考慮到SHA2-256算法存在被破解的可能，雖然在理論上并未出現對SHA2-256算法的攻擊。為了減弱攻擊的威脅，區塊頭數據要對SHA2-256算法運算兩次。

２：如果所有節點都從0開始嘗試Nonce值，那不就永遠都是算力高的節點先計算出有效的結果，算力低的節點永遠沒希望挖礦成功？
區塊頭大部分信息都是一樣的，但是Merkle Root對于每個節點必然是不同的，因為每個節點都會有自己的Coinbase交易，該交易中存在節點礦工的地址，此地址對于每個獨立挖礦節點都是不同的，根據哈希函數的雪崩效應可知每個獨立節點的Merkle Root必定有顯著的區別。

３：如何解決拜占庭問題？
通過工作量證明就增加了發送信息的成本，降低節點發送消息速率，這樣就以保證在一個時間只有一個節點在進行廣播，同時在廣播時會附上自己的簽名。工作量證明其實相當于提高了做叛徒（發布虛假區塊）的成本，只有第一個完成證明的節點才能廣播區塊，競爭難度非常大，需要很高的算力，如果不成功其算力就白白的耗費了，整個系統也因此而更穩定。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的PoW共识机制原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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