共识机制：工作量证明机制（POW）

在区块链系统框架中，共识层提供了全网对交易和区块的共识，是区块链中产生信任的方法和机制。 目前常用的共识机制有3种： Proof of Work，简称PoW； Proof of Staked，简称Pos； 委托权益证明，简称 DPoS。 其中，工作量证明PoW是比特币使用的共识机制，也是目前使用最广泛、最成熟的共识机制。 权益证明PoS和授权权益证明DPoS两种机制针对工作量证明机制的不足进行了优化和完善。 但其应用范围目前主要集中在一些后期产生的数字货币等； 下面我们介绍第一种机制POW。

工作量证明机制 POW

工作量证明机制的逻辑是：货币的产生需要一定的工作量和成本，不能凭空获得。 这种机制赋予货币一定的商品属性，使货币不需要中心化组织的干预，市场本身可以通过“价格机制”自动调节货币供给量。 当币价上涨时，更多的人投入工作量证明来创造更多的货币，增加货币供应量，导致币价下跌：当币价低于付出的工作量和成本时，部分货币被创造人们会退出，减少货币供应量，结果，货币价格会再次上涨。 这种机制保证了货币价值的稳定性，使货币具有了保值能力，从而使货币获得了人们的信任。

贝壳在人类历史上曾作为货币使用过，但并不是所有的贝壳都可以作为货币使用。 比如普通的贝壳是不能当货币的，因为它们无处不在，不费吹灰之力就能得到，所以不会有人接受。 . 只有选择符合要求的外壳，然后进行研磨、钻孔，达到一定的要求，才能成为人们所接受的货币。 在这个过程中，在贝壳的挑选和打磨上投入了一定的工作量，这让北粮币有了信任的基础。 并且随着人类生产水平的提高。当贝壳币能够以极低的成本或工作量大量生产时，就失去了“付出一定成本”的工作量证明机制的本来意义，不再是被人们信任，它将不再是一种货币

在比特币网络中。 采用工作量证明机制的原理比特币的工作机制是什么，设计了一种“通过解决数学问题来证明已经完成了一定量的工作量”的模式。 全网节点可以达成信任，比特币就可以产生。 比特币采用的PoW机制是区块链技术最早也是目前最大的共识机制，被形象地称为“挖矿”。 由于比特币在全球范围内的广泛参与和价格炒作，一些国家（如中国）甚至创建了一些专门从事工作量证明的机构比特币的工作机制是什么，并平行生产相关产业链，被称为“矿池”。 通过构建强大的计算能力来提高工作量证明的效率。

战俘的由来

工作量证明机制是一种针对拒绝服务攻击和其他服务滥用的经济对策。 它需要发起者进行一定量的计算，也就是说需要一定的计算机时间。 这个概念最早是由 Cynthia Dwork 和 Moni Naor 在 1993 年的一篇学术论文中提出的。工作量证明（Proof of Work，简称 PoW）一词实际上是在 Markus Jakobsson 和 Ari Juelst 1999 年的文章中提出的。

目前最常用的散列方法是工作量证明机制，由 Adam Baker 于 1997 年发明，用于抵抗邮件拒绝服务攻击和垃圾邮件网关滥用。在比特币之前，hash 哈希方法已广泛用于垃圾邮件过滤，以及应用于比特币之前的加密数字货币实验，如戴维的B-money、Nick Szabo的比特金（Bit-gold）等，都是在hash哈希的框架下开采的。 这种方法也被中本聪借鉴，用在了比特币系统中。

工作量证明机制的计算过程：哈希函数

散列函数（Hash Function），又称散列函数，给定一个输入x，它会计算出对应的输出H(x)。 哈希函数的主要特征是：

(1) 输入x可以是任意长度的字符串（这使得哈希函数可以应用于加密各种形式的数据）； (2) 输出结果的长度，即H(x)，是固定的；

(3) 计算H(x)的过程是高效的。 对于比特币加密系统使用的散列函数，还需要具备以下条件

自然：

(1) 无碰撞，即不会有输入x≠y，但在H(x)=H(y)的情况下，比特币使用的哈希函数是SHA-256算法。 理论上，会有两个输出。 如果我们进行2+1的输入，必然会发生碰撞； 而从概率的角度来看，如果有2"次输入，则有9%的几率发生碰撞。以每秒100次的速度完成2次哈希计算需要10年，所以发生碰撞的概率SHA-256算法下极小

(2) 隐蔽性或安全性，即给定的输出结果H(x)在计算上不可能被快速输出

以上特点是比特币工作量证明系统正常运行的基础。

工作量证明的基础

工作量证明机制的主要特点是客户端需要通过一定的难度获得一个结果，而验证者可以很容易地通过结果检查客户端是否做了相应的工作。 该方案的一个核心特征是不对称性：工作对请求者来说是适度的，对验证者来说很容易验证。 它不同于验证码，它被设计成易于人类破解而计算机不易破解。

比如给定一个字符串“Helo, world!”，我们给出的工作量要求是可以在字符串后面加上一个叫做Nonc的整数值，对变化后的（添加Nonce）字符串进行SHA-256哈希运算，如果得到的哈希导致

十六进制表示）以“0000开头，则验证通过。为了达到本次工作量证明的目的，我们需要不断增加Nonce值，并对得到的新字符串进行SHA-256哈希运算。根据这个规则，它需要 4251 次计算才能找到前 4 位恰好为 0 的哈希值。

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计算出结果后，请求者将结果发送给验证者，即在“Helloworld!”后追加4250，使SHA-256的前4位为“000”，验证者直接申请“Hell, world!” “4250”进行SHA256计算，发现请求方计算正确，验证通过。

工作量证明机制的优缺点

优势：

工作量证明机制最大的优势在于相对公平，解决了P2P网络中的信任问题，使得共识得以达成，交易得以顺利进行。

缺点：

(1)资源消耗增加。 算力由计算机硬件提供（从早期的CPU到后来的专用矿机），消耗了大量的电力资源。 搞PoW需要交电费，也就是支付现实生活中的货币，才能获得数字货币。当然，网络世界本来就是建立起来的

以现有的物理世界来看，这一点只能说是不符合当下节能环保的潮流。 这也会导致区块链系统的效率下降，因为节点需要实际支付计算资源来做工作量证明。 解决问题后，他们可以解释说他们已经创建了一个块。 对于整个网络来说，不可能实现交易的实时确认，导致效率下降。

（2）存在中心化趋势。以比特币网络为例，挖矿机制的算力不再来源于个人电脑的CPU，而是逐渐向GPU（图形处理单元，具有比CPU更强大的浮点计算能力）、FPGA，甚至以计算能力为

ASC矿机主要性能。 在目前的情况下，如果用户仅仅依靠个人电脑进行挖矿，无论电脑多么先进，也绝对不可能挖到比特币，因为其他节点已经发展成为大型矿池和矿场，配备了大量的专业矿机，PoW可以更快的完成获取比特币，整个网络的算力也越来越集中。 这与区块链网络去中心化的方向背道而驰。 一方面，它背离了区块链的根本目标。 影响。

（3）成本与收益匹配度降低，影响比特币网络安全。比特币区块奖励每4年减半，运行矿池或矿场需要大量投入。 当挖矿成本高于挖矿收益时，矿工不再追求挖矿利益而放弃挖矿。 系统 大量的计算能力

区块不再快速创建和验证，这影响了比特币网络的持续运行。