深入理解PoW共识

前言

上一篇文章中大概介绍了一下目前区块链应用中的几种常用的共识机制，本篇将重点聊一下区块链之一的PoW共识机制，以及它的实现原理和代码实现。

PoW（Proof of Work）工作量证明，其核心设计思路是提出求一个复杂度计算值的运算过程。用户通过进行一定的运算和消耗一定的时间来计算一个满意值并提供给服务方快速做验证，以防止服务被攻击，数据资源被滥用，确保数据交易的公平和安全。这一概念最早在1993年由Cynthia Dwork和Moni Naor的学术论文中提出，并在1999年由Markus Jakobsson与Ari Juels 对工作量证明这一词的进行了发表。到了2008年这工作量证明技术被运用在比特币区块链系统上，到目前为此PoW技术在区块链中起着至关重要的作用，它也成为了加密货币中主流的共识机制之一，像比特币，以太坊等都有使用。

技术原理

工作量证明最核心的技术原理是散列函数（哈希）。散列函数的特征其实就是将任意长度的数作为输入然后通过散列函数的运算后得到一个固定长度值的输出，这个值就是散列值（哈希值）（下次我将写一篇关于散列函数实现原理及加密算法的内容）。

在比特币中，PoW工作其实就是如何去计算一个区块的目标哈希值问题，让用户进行大量的穷举运算，同时得出这个哈希值还必须满足一些必要条件，这个条件在区块链中其实就是一个难度系数值，通过计算出的哈希值是否符合前面N位全是0，最终达成工作量证明。

举个例子：

比如现在给出一个固定的字符串“Hello, blockchain”，现在要求计算的难题是将这个字符串与一个随机数（Nonce）拼接起来，并通过SHA256哈希计算一个固定256位长度的哈希值，如果计算结果得到的前5位全是0，即认为满足计算条件，同时得到的随机数（Nonce）值证明为达成工作量证明的有效随机数。

PoW算法在区块链实现过程：

先定义一个固定的256位长度初始数，比如：长度为256位字符 0000…0001 （32字节，64字符）
设置难度系数值，比如：如果难度系数定义为前面4个0，即16位长度（0000 0000 0000 0001 = 4个字符= 2个字节）
按照难度系数值进行移位操作，将Hash工作量值扩大，向左移（256-难度系数N位）比如：将初始数 0000.....0001 向左移（256-16位）得到： 0000 0000 0000 0001 0000 …0000.
将随机数Nonce递增加1再加上区块头（Block Header）Hash值拼接，然后进行SHA256 Hash运算。什么是区块头？区块头（Block Header）是工作量证明的输入，一个区块包含有区块头和区块交易数据，区块头是包含一串Hash值，这串Hash值是通过Merkle Tree算法生成（下次我将会写一篇专门来聊一下Merkle Tree算法的实现）
将计算结果值与当前难度系数目标值做对比，如果当前计算值大于难度系数条件值，即继续递增Nonce值再进行下一次的SHA256 Hash运算，直到计算出的结果Hash值少于目标值，则才认为解题成功，此次的工作量证明完成并获得记账权，然后进行对交易区块进行打包确认并广播给全节点，并从Coinbase中获得gas奖励

以下为代码实现:

调整计算难度系数（调整前面N个0）与计算效率的比较

以下分别取计算难度系数16位（前面4个0），20位（前面5个0），28位（前面7个0）来做对比测试。

在双核CPU负载情况:

得出结论：

如果要求Hash值前面的N位0越大，即它的计算难度就越大，每增加一位0，它的计算次数就变得高出很多倍，如上图所示，当要求计算难度值前面N位要求为7位是0的时候，它的计算次数就达到5.6亿次，所以工作量非常大，如果作弊那是几乎不可能。

PoW挖矿机的进化史

以比特币挖矿来讲主要经历了4个阶段：

CPU挖矿→GPU挖矿→专业矿机挖矿→矿池挖矿

2009年比特币创始人中本聪通过个人电脑CPU挖出第一个创世区块。一开始算力比较小，后来随着比特币的热捧，节点越来越多，难度也随着越来越大。

2010年第一款显卡挖矿软件推出，一个GPU的算力是几十个CPU的算力，有了GPU挖矿，其实算力大大提升。

专业矿机

2013年，南瓜张（中国比特币四大天王之一）研发了第一台基于矿机专属芯片Avalon的FPGA矿机（南瓜机），其运算速度远超GPU的算力，开启了FPGA挖矿的新纪元。到了2013年下半年，矿机进入百花争鸣的市场竞争时期，大量ASIC矿机厂商如雨后春笋般出现。

矿池挖矿

随着越来越多的矿机加入挖矿，单独的矿机已经很难挖到比特币，于是就将单独的矿机集中起来，形成了矿场和矿池。它的规则是：不管个人矿工所使用的运算力多寡，只要是通过加入矿池组织来参与挖矿活动，不管有没有成功挖出有效区块，都可以通过对矿池的贡献率来获得一定比率的奖励，也就是说多人合作挖矿，获得的比特币奖励也是按照贡献度比率分享。

截到目前为止，全球算力排名前五的比特币矿池有：AntPool、BTC.com、BTC.TOP、ViaBTC、F2Pool，目前全球约70%的算力在中国矿工手中。

随着区块链应用的发展，矿机这个东西不仅是一种造富工具，将来它更多的定义是智能机器，它是一种基于算法实现的自动化架构，核心也是基于区块链共识机制所建立的技术架构。

PoW优点与缺点

优点：

安全性高，防攻击能力强。由于参与节点多，攻击者必须投入超过总体51%的运算量，才能保证篡改结果，这使得攻击成功的成本变得非常高昂，难以实现。
体现公平性，多劳多得方式，投入越多的算力，获得的记账权的机率也等比增加。

缺点：

非常消耗能源，由于运算力依赖计算机硬件（CPU、GPU等），需要耗费大量的电力。
由于运算时间过长，变得获得记账权的等待时间变久，交易确认周期也会变长，影响产生交易区块的效率，目前大概是每10分钟才产生一个区块，对于一些商业性项目的应用不太合适。

小结

本篇主要深入了解PoW共识机制的技术实现原理，难度系数对运算力的影响，以及使用PoW技术挖矿的发展历程，最后也指出了PoW的优缺点。

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