內容
工作量證明（PoW）是一種共識機制，旨在防止數位支付系統中的雙重支出。
PoW 是挖礦過程的基本部分，涉及向區塊鏈添加新的交易區塊並創建新的加密貨幣單位。
比特幣和其他幾種加密貨幣使用 PoW 作為保護區塊鏈網路及其資料的方法。
介紹
總之，工作量證明（PoW）是一種為防止數位支付系統中的雙重支出而創建的機制。比特幣和其他幾種加密貨幣使用 PoW 作為保護區塊鏈網路及其資料的方法。這些機制通常被稱為共識演算法或共識機制，因為它們涉及多方達成共識而無需彼此信任。
工作量證明是第一個出現的共識演算法，並且與權益證明（PoS）一樣仍然是最重要的共識演算法之一。 PoW 是由中本聰在 2008 年的比特幣白皮書中提出的，但該技術本身早在這之前就已經被構思出來。
Adam Back 的 HashCash 是加密貨幣出現之前工作量證明演算法的首批範例之一。透過要求寄件者在發送電子郵件之前執行少量計算，收件者能夠減輕垃圾郵件的影響。對於合法寄件者來說，這種計算幾乎不需要任何成本，但對於那些發送大量電子郵件的人來說，成本很快就會變得很高。
什麼是雙重支出？
介紹
今天，當你付一杯咖啡的錢時，你會把錢交給一個可能把錢放在收銀機裡的人。你不能去街對面的咖啡店付費購買另一家具有相同評級的咖啡。然而，在數位貨幣系統中，有可能做到這一點。
您可能已經使用複製和貼上命令複製了電腦檔案。透過電子郵件將同一文件發送給數十人也很容易。由於數位貨幣只不過是數據，因此需要防止人們重複消費，即在不同的地方複製和消費相同的單位。無法防止雙重支出的數位支付系統很快就會崩潰。
要更深入地了解雙重支出，請查看雙重支出指南文章。
為什麼需要工作量證明？
如果您閱讀我們有關區塊鏈技術的文章，您就會知道加密貨幣用戶不斷向網路廣播交易。但是，這些交易不會立即被視為有效，只有當它們被確認並添加到區塊鏈時才會發生。
例如，比特幣區塊鏈充當所有用戶都可以看到的公共交易資料庫（帳本/帳本）。想像這樣的場景：您和三個朋友有一個筆記本來追蹤您的比特幣交易。每當你們中的一個人想要進行價值轉移時，你們就寫下：
Alice 支付給 Bob 5 BTC； Bob 向 Carol 支付了 2 BTC，等等。
但每次您進行交易時，您都會參考資金來自的交易。因此，如果 Bob 以 2 BTC 向 Carol 付款，輸入將如下：
Bob 向 Carol 支付了 2 BTC，該金額來自先前與 Alice 的交易。
我們現在有辦法追蹤 BTC 單位。如果 Bob 嘗試使用他剛剛發送給 Carol 的 2 個 BTC 進行另一筆交易，每個人都會立即知道。該組織不會允許將交易添加到筆記本中，因為這 2 個 BTC 已經被花掉了。
這在小團體中可以很好地發揮作用。由於每個人都互相認識，他們很可能會就哪些朋友可以向筆記本添加交易達成一致。但如果我們想要 10,000 名參與者呢？記事本的想法並不合適，因為沒有人願意相信陌生人來管理交易記錄。
這就是工作量證明的用武之地。它確保用戶不會花他們無權花的錢。透過結合博弈論和密碼學，PoW 演算法允許任何人根據系統規則更新區塊鏈。
工作量證明如何運作？
想像一下，上面範例中的筆記本是區塊鏈，但我們不會一一添加交易 - 相反，我們將它們分組為區塊。我們向網路報告交易，創建區塊的用戶將把交易包含在候選區塊中。只有當其候選區塊成為確認區塊時，交易才會被視為有效，這意味著它已被添加到區塊鏈資料庫中。
驗證交易和新增區塊的過程稱為挖掘。採礦既昂貴又困難，但也能帶來回報。區塊獎勵來自用戶的交易費用和協議創建的新比特幣。
工作量證明機制要求礦工（創建區塊的用戶）投入電力和運算能力等資源來處理候選區塊的資料哈希，直到找到難題的解決方案。
對區塊資料進行哈希處理意味著運行哈希函數來產生區塊的身份（哈希）。它的工作原理就像輸入資料的“指紋”，並且對於每個區塊來說都是唯一的。
換句話說，礦工需要驗證和收集待處理的交易，將它們組織成候選區塊，並將區塊資料通過哈希函數傳遞以創建有效的哈希。如果他們設法找到候選區塊的有效哈希值，他們會將其廣播到網絡，將該區塊添加到區塊鏈中，並收集挖礦獎勵。
當礦工將其候選區塊和哈希傳輸到網路時，其他網路參與者重複哈希過程以驗證輸出是否確實有效。
儘管需要進行多次哈希嘗試才能找到有效的哈希，但人們很容易確認生成的哈希是否正確。只需要透過雜湊函數發送相同的輸入（區塊資料）並檢查輸出是否相同。
在工作量證明中，您必須提供雜湊滿足特定條件的數據，但您不知道如何到達那裡。您唯一的選擇是透過雜湊函數提交資料並檢查其是否滿足條件。否則，您將不得不稍微更改資料才能獲得不同的哈希值。更改資料中的單一字元將導致完全不同的結果，因此無法預測結果。
所以如果你想創建一個區塊，你將在玩一個猜謎遊戲。通常，您會獲取有關要添加的所有交易的資訊以及一些其他重要數據，然後將它們放在一起。但由於您的資料集不會更改，因此您需要添加可變資訊。否則你總是會得到相同的哈希結果。這個變數資料就是我們所說的隨機數。這是一個您每次嘗試都會更改的數字，因此您每次都會得到不同的雜湊值。
簡而言之，挖掘是從區塊鏈收集資料並使用隨機數對其進行雜湊的過程，直到找到特定的雜湊結果。如果你找到滿足協議設定條件的哈希值，你就有權將新區塊廣播到網路上。完成此操作後，網路中的其他參與者將更新其區塊鏈以包含已建立的新區塊。
對於當今頂級的加密貨幣來說，這些條件很難滿足。網路上的哈希率越高，找到有效哈希值就越困難。這樣做是為了確保不會太快找到塊。
正如您可以想像的那樣，嘗試猜測大量雜湊值對於您的計算機來說可能代價高昂。你浪費了計算週期和電力，但如果你找到有效的哈希值，協議將獎勵你加密貨幣。
讓我們回顧一下到目前為止所看到的內容：
挖礦既困難又昂貴，但它提供了網路安全。
成功產生有效區塊的礦工將獲得新發行的加密貨幣和交易費用的獎勵。
產生有效的哈希值需要時間，但其他使用者可以透過重複哈希過程輕鬆驗證其有效性。
到目前為止，一切都很好。但如果有人試圖作弊怎麼辦？是什麼阻止用戶將虛假交易插入區塊並產生有效的哈希值？
這就是公鑰密碼學的用武之地。我們不會在本文中深入討論，但請查看什麼是公鑰加密技術？進行綜合分析。簡而言之，有一些加密技巧可以讓任何用戶檢查某人是否有權轉移他們試圖花費的資金。
當您建立交易時，您需要對其進行簽名。網路上的任何人都可以將您的簽名與您的公鑰進行比較，看看它們是否匹配。他們還將檢查您是否確實可以支出資金，以及您的流入總和是否大於流出總和（即您的支出是否超過您的支出）。
任何包含無效交易的區塊都將被網路自動拒絕。試圖欺騙的代價是昂貴的。你會浪費你的資源而得不到任何回報。
這就是工作量證明的美妙之處：作弊的代價高昂，但對於那些誠實行事的人來說卻是有利可圖的。任何理性的礦工都會尋求投資回報，因此他們應該以更有可能帶來收入的方式行事。
工作量證明 (PoW) 與權益證明 (PoS)
除了 PoW 之外，還有多種共識演算法，其中最受歡迎的一種是權益證明（PoS）。這個概念起源於 2011 年，並已在以太坊和其他幾個協議上實現。
在權益證明系統中，礦工被驗證者取代。不涉及挖礦，也無需競相猜測雜湊值。相反，用戶是隨機選擇的——如果被選擇，他們必須提出（或「偽造」）一個區塊。如果該區塊有效，每個人都會收到由該區塊的交易費用組成的獎勵。
並非任何用戶都可以被選擇——協議會根據幾個因素來選擇他們。為了獲得資格，參與者必須鎖定股份，這是區塊鏈本機貨幣的預定數量。質押的作用類似於保釋：大量資金旨在阻止被告逃避審判，就像驗證者阻止質押以阻止作弊一樣。如果他們行為不誠實，股份（或一部分）將被沒收。
與工作量證明相比，權益證明有一些好處。最值得注意的是，碳足跡更小——由於 PoS 不需要高性能礦場，消耗的電力只是 PoW 消耗的一小部分。
也就是說，PoS 沒有與 PoW 相同的記錄。儘管挖礦可能被認為是浪費，但它是唯一經過十多年測試的共識演算法。自推出以來，比特幣 PoW 已確保了數萬億美元的交易。要肯定地說 PoS 可以達到相同的安全水平，需要對 Stake 進行長期的適當測試。
最後的考慮因素
工作量證明是雙重支出問題的最初解決方案，並且已被證明是可靠且安全的。比特幣已經證明，我們不需要中心化實體來防止同一筆資金重複使用。透過巧妙地使用密碼學、雜湊函數和博弈論，去中心化環境中的參與者可以就金融資料庫的狀態達成一致。
進一步閱讀
什麼是加密貨幣挖礦以及它是如何運作的？
什麼是公鑰密碼學？
什麼是區塊鏈共識演算法？
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