工作量证明——比特币区块链的共识机制

比特币引入了工作量证明（Proof of Work比特币采用的共识机制的是，简称PoW），可以保证不超过51%的恶意节点达成共识。 是目前区块链中最经典、最成熟的共识机制。 基本流程如下：

1）节点传输数据时，传输的信息不会立即被各个节点存储，而是标记为“未确认”存储在内存池中。

2）区块链系统每隔一段时间产生一个新的区块，不同的区块链协议有不同的产生时间（例如比特币区块链每10分钟产生一个区块）。 每个节点会收集内存池中所有未确认的信息，打包成一个新的区块，构建一个候选区块。 由于我们上面提到的问题，对于给定的一组信息，每个节点块中打包的信息可能不一致。

3）区块打包信息后，会设置一个“密码谜题”，即在信息后加上一个随机数，然后将整个信息列表（包括随机数）转换成一个哈希值使用哈希函数。

4）每个节点都需要使用得到的哈希值来计算随机数。 根据上述哈希函数的性质，逆向计算是行不通的，只能采用穷举法。 因此，计算这个特殊的数字需要大量的计算。 这个过程称为工作量证明，可以很容易地理解为解决“数学难题”的过程。

5) 当网络中的某个节点首先找到随机数时，该节点将向全网广播，其他节点将验证其有效性。 当51%的节点通过验证时，该区块将自动链接到区块链的后面，不能通过验证的将重新计算。 最先完成工作量证明的人可以获得一定的奖励，这不仅可以鼓励全网所有节点积极存储信息，还可以防止节点存储错误信息——因为验证失败后的收益远不及自己费用。

例如，在比特币区块链中，区块中包含一定数量的币基，最先找出随机数并通过验证的节点可以获得区块中的新币奖励。 由于这个过程类似于淘金，所以使用PoW机制产生数字货币的过程称为“挖矿”。

PoW 的意义在于增加了每个节点传播信息的成本，而成本远大于发布虚假信息的收益，因此每个节点都不会有做“叛徒”的动机。 因为如果节点对信息有任何修改，就会彻底改变哈希值。 哈希函数虽然不容易逆向，但是很容易验证。 当无法通过 51% 节点的验证时，该节点必须重做工作量证明。 花费大量成本会降低第一个完成的概率，从而降低获得奖励的概率。 其次，由于最先计算拼图的节点是随机的，我们无法知道下一个节点将获得记录权，每个节点也无法控制自己将获得记录权的哪个区块。

上述过程通过PoW机制解决了信息存储在单个区块的共识问题，但不能保证系统（整个区块链）的最终一致性。 因为两个不同的节点同时挖出区块（解谜），也有可能发生（由于网络通信问题，各个节点的区块信息可能不一致），这时候区块链就会分叉，并且网络中的每个节点都需要形成共识，才能确认区块链交易。

整个区块链的共识遵循最长链的原则，只有最长链上的交易才能得到确认，即工作量最大的区块链。 “分叉链”是不可持续的。 在下一次区块竞争中，各节点将选择在某条分叉链上争夺下一次记账权。 由于巨大的工作量证明，两个节点同时挖出一个区块的概率会呈指数级下降。 因此比特币采用的共识机制的是，很快就会出现“最长链”，在最长链上进行交易确认。 同时，短链上的交易信息也会随之而来。 已发布，重新标记为“未确认”，打包在下一个区块中。

但 PoW 机制并不完善，它有以下三个缺点：

1）51%攻击：当攻击者掌握了全网51%的算力时，他的攻击总能成功，因为他总能使自己的链成为最长链。 因此，全网节点越多，抗攻击能力越强，安全性越好。

2）高延迟：块发生之间的时间间隔不能太短。 出块时间过短意味着挖矿难度降低，会增加多个节点同时计算答案的概率，导致频繁分叉。 但是缓慢的块生成意味着长确认时间和高延迟。

3）资源浪费：计算机计算密码谜题需要大量的计算能力、高性能的计算机设备，消耗大量的电力和其他资源。 据digiconomist评估，比特币在2018年排放了3473万吨二氧化碳，相当于丹麦的碳排放量； 用电量达到73.12万亿千瓦时，相当于奥地利的用电量； 并产生了 9.8 克拉的电子垃圾，相当于卢森堡产生的电子垃圾。

工作量证明——比特币区块链的共识机制