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什么是工作量证明(POW)？原理与应用全解析
什么是Proof of Work
PoW（Proof of Work）工作量证明是区块链领域最基本的一种共识机制。早期的区块链项目如比特币、以太坊和莱特币，都采用PoW共识机制来确保区块链账本的一致性与不可篡改特性。
PoW模式可以简单理解为：所有网络节点抢答同一个数学题目，谁先算出来，谁就拥有记账权，并且能够得到相应的记账报酬（区块链网络新发行的加密货币）。
1993年，两位密码学先驱Cynthia Dwork和Moni Naor在一篇学术论文中最早提出了PoW的概念。2008年，中本聪选定PoW为比特币的共识机制，随着比特币价格的增长，PoW机制所具有的力量也逐步为世人所看到。如今，PoW已成为了加密货币的主流共识机制之一。
2010年8月7日，中本聪在密码朋克论坛上发帖称：“工作量证明具有一种优美的特性，那就是可以通过不受信任的中间人进行转发。”工作量证明的实现需要消耗大量能量，但这也给予了区块链网络抵御攻击的强大能力。在工作量证明机制下若想欺骗区块链网络，必须付出极大的代价。
工作量证明如何运作
为了使区块链交易结果在一定时间内达成一致（共识），PoW机制要求网络节点参与一场争夺记账权和区块奖励的竞赛。在工作量证明中，所谓的“工作”就是计算，算力在PoW机制起着决定性作用。
这种运算过程没有捷径可走，唯一的解题方法便是堆砌算力，以“碰撞”（猜测）的方式一次次尝试，最终试出唯一的正确答案。一旦得出正确结果，这一结果便能以广播的方式迅速被所有网络节点验算，此区块上的交易也被整个网络验证。接着，整个网络又进入下一轮记账竞争中。这一过程称为“挖矿”。
虽然每轮记账竞赛只有一个节点能够获得计算奖励，由于每轮计算之间彼此独立，最终的记账权和奖励之争演化为了单纯的算力之争。一个节点所控制的算力规模越大，获得奖励也就越多。而所有节点耗用的时间、设备与能源，则成为维护区块链网络安全的担保成本，整个网络的节点数目越多、消耗的能源越多，区块链网络的安全性也越好。
PoW机制的设计简明且优美，使用PoW机制的比特币也是理论上具有最高去中心化程度的加密货币。没有它，去信任的(trustless)比特币网络就无法运作。
工作量证明的优点：
- 架构简单、有效可靠，同时相对而言较容易实现；
- 去中心化程度高，不需要中心化的管理机构，节点可以自由进出区块链网络。
- 作恶成本高，安全性较好。攻击者想要篡改区块链的信息或控制整个系统，必须投入超过整个网络一半的计算能力（51%的算力攻击）。考虑到区块链网络的算力总规模极大，进行攻击所需成本将变得十分高昂。
工作量证明的局限：
- 单纯依靠算力竞争，对于资源的消耗十分巨大。
随着比特币网络算力的增长，比特币挖矿行业的能源消耗已经成为一个全球关注的问题。据剑桥大学替代金融研究中心估计，截至 2021 年 5 月 10 日，全球比特币挖矿的年耗电量大约是 149.37 太瓦时。倘若将这一数值与各个国家对比，比特币耗电量超多马来西亚、乌克兰等100多个国家，与排名25的越南相近。
此外，比特币网络耗能中的很大一部分由煤炭等传统能源供应，这也导致了一定程度的环境问题。因此，包括中国在内的多个国家明令禁止开展比特币挖矿。
- 效率低下。
采用PoW机制的比特币具有确认速度慢、吞吐量低的问题。由于PoW机制所设置的问题难度较高，比特币出块时间约在10分钟左右，这意味着一笔交易需要长达1个小时（约6个区块后），才能在区块链网络上真正确认。比特币网络的TPS仅为7左右，即每秒只能处理7笔交易。
- 设备要求高，继而导致中心化问题。
虽然在比特币诞生的早期，个人CPU是最主要的挖矿设备，但随着比特币价格走高和算力竞争的加剧，高性能显卡乃至专用ASIC矿机成为了挖矿作业的主流。由于挖矿的设备门槛越来越高，专业的矿池出现并垄断了大多数算力，这与比特币去中心化的初衷背道而驰。
哪些区块链采用PoW机制？
比特币和莱特币
比特币是人类历史上第一种加密货币，也是PoW机制的发源地；而反过来，耗能颇高的PoW机制也成为了比特币的独特标签。在可以预料的将来，比特币将一直保持PoW共识机制。
除了比特币外，许多加密货币史上的早期货币都在架构上借鉴比特币而采用PoW机制，如莱特币（LTC）等。此外，比特币的几种分叉币也同样使用PoW机制，如比特币经典（BGH）、比特币现金（BCH）等
以太坊
诞生于2014年的以太坊同样使用PoW共识机制。但考虑到PoW机制的几种缺陷，以太坊即将转变为能耗更低、效率更高的PoS（股权证明）共识机制，这一过程便是以太坊的2.0升级。
以太坊已于2020年底上线采用PoS共识机制的信标链，预期在2022年内，以太坊主链将与信标链合并，从而完全转变为PoS共识机制。
除了以太坊外，数种此前采用PoW共识机制的加密货币也在考虑转换到PoS机制，如狗狗币（DOGE）。
结语
作为最早的区块链共识证明方式PoW沿用至今，其思想启发了后来的所有区块链项目。PoW机制有着无可取代的优点，也有着显着的弊端。随着产业发展、用户人数增加，PoW机制能源浪费、性能欠缺的问题也显现出来。
目前，各种新公链打着更去中心化、节能、高效的旗帜出世，收获一批批新用户，但终究难以撼动至今仍采用PoW机制的比特币的地位。在未来，是否会出现解决了PoW机制问题，同时保有安全性和去中心化程度的“完美共识”呢，这一发展值得我们保持关注。
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