PoW共识机制原理
1 PoW機(jī)制
工作量證明（Proof-of-Work，PoW）是一種對應(yīng)服務(wù)與資源濫用、或是阻斷服務(wù)攻擊的經(jīng)濟(jì)對策。一般是要求用戶進(jìn)行一些耗時適當(dāng)?shù)膹?fù)雜運(yùn)算，并且答案能被服務(wù)方快速驗算，以此耗用的時間、設(shè)備與能源做為擔(dān)保成本，以確保服務(wù)與資源是被真正的需求所使用。
- 工作量證明的特點是什么？
即是難于計算，卻易于驗證。 - 產(chǎn)生工作量的方法是什么？
不斷哈希不同的值， 直到哈希值符合一定的條件。 - 工作量證明如何驗證?
接收方對證明進(jìn)行哈希， 看是否符合上述條件，可以快速驗證。
2 比特幣如何使用PoW共識機(jī)制
比特幣的共識機(jī)制就是PoW共識，借鑒了HashCash的處理方法， 下面就來說說比特幣如何進(jìn)行PoW共識的。
從區(qū)塊頭的結(jié)構(gòu)中可以看到一個4 bytes的Nonce值，Nonce值的變動會影響整個區(qū)塊頭的哈希值，挖礦節(jié)點即是通過嘗試不同的Nonce值（通常從0開始每次加1），尋找一個哈希值小于Difficulty Target指定的難度值。
| 4 bytes | Version | 區(qū)塊版本號，目前為2 |
| 32 bytes | Previous Block Hash | 前置區(qū)塊（父區(qū)塊）的區(qū)塊頭Hash，Hash算法為double-SHA256 |
| 32 bytes | Merkle Root | 區(qū)塊中交易Merkle樹根 |
| 4 bytes | Timestamp | 區(qū)塊創(chuàng)建UNIX時間戳 |
| 4 bytes | Difficulty Target | 工作量證明算法難度 |
| 4 bytes | Nonce | 通過變動該計數(shù)器來達(dá)成工作量證明要求的結(jié)果 |
3 PoW證明過程
PoW證明過程，這也就是俗稱的挖礦過程， 找到合適的哈希值。
這里不詳細(xì)說明區(qū)塊打包過程， 區(qū)塊通過一定的算法被生成， 當(dāng)然生成是需要一定的代價的。
區(qū)塊頭里的各個值并不是隨機(jī)的， 而是由固定的算法得出， Merkle根哈希值就是把交易打包變成一顆Merkle樹， 最后得出根的哈希值， 難度值是根據(jù)算法不斷調(diào)整， 要維持出塊速率是10分鐘出一個塊。
首先我們把所有交易打包生成Merkle樹， 計算Merkle根的哈希值， 然后組裝區(qū)塊頭， 把區(qū)塊頭不斷進(jìn)行SHA256(SHA256(區(qū)塊頭))雙重哈希操作， 然后判斷是否小于網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值， 這里其實就是把它變成2進(jìn)制， 二進(jìn)制前面有多少位是沒有0的， 因為有1的話， 這個十進(jìn)制的值肯定是很大的， 就不會符合條件。 如果大于這個目標(biāo)值， 說明前面的位數(shù)沒有滿足前多少位為0的條件 哈希不成功， 那么就改變隨機(jī)數(shù)值，組成新的區(qū)塊頭，繼續(xù)哈希。
這是就是是挖到礦了，其他節(jié)點驗證的話也簡單，只要做一次SHA256(SHA256(驗證區(qū)塊頭))來判斷。
挖礦難度
比特幣挖礦難度調(diào)整方式非常簡單，難度目標(biāo)調(diào)整即不斷將256位的難度值減小，如277315號區(qū)塊的難度值十六進(jìn)制表示為：0x0000000000000003A30C00000000000000000000000000000000000000000000
這個數(shù)字在二進(jìn)制表示下前60位均是0，如果要增加難度只需要減小這個值，隨著難度值的減小，起始0的個數(shù)增多，可尋找的哈希值范圍減小，挖礦難度就越大。
難度調(diào)整
難度的調(diào)整是在每個完整節(jié)點中獨立自動發(fā)生的。每2016個區(qū)塊，所有節(jié)點都會按統(tǒng)一的公式自動調(diào)整難度。如果區(qū)塊產(chǎn)生的速率比10分鐘快則增加難度，比10分鐘慢則降低難度。
公式可以總結(jié)為：新難度值=舊難度值×（過去2016個區(qū)塊花費(fèi)時長/20160分鐘）
4 POW的優(yōu)缺點
優(yōu)點
- 去中心化，將記賬權(quán)公平的分派到其他節(jié)點
記賬權(quán)是通過看節(jié)點的PoW， 誰挖礦最快， 誰就能拿到這個礦 - 安全性高，破壞系統(tǒng)需要投入極大的成本
因為獲得正確哈希值的概率和算力成正比， 如果沒有掌握51%的算力就不能作弊。這樣代價要高于誠實挖礦，所以安全性高
缺點
- 會造成資源浪費(fèi)
因為挖礦需要大量的哈希運(yùn)算，需要電力和各種算力資源，而且找到合適的哈希值實際上并沒有其他的作用 - 網(wǎng)絡(luò)性能太低
因為比特幣出塊的時間是10分鐘， 所以交易確認(rèn)至少需要10分鐘，而且目前支持支持每秒7筆交易的速度，不適合商業(yè)用處。 - PoW共識算法算力集中化。
目前挖礦礦池是主力， 算力高的礦池有選擇權(quán)， 持本人么有參與決定的權(quán)利
思考
１：挖礦過程為什么要計算兩次哈希值？
中本聰在設(shè)計比特幣的挖礦算法的時候，考慮到SHA2-256算法存在被破解的可能，雖然在理論上并未出現(xiàn)對SHA2-256算法的攻擊。為了減弱攻擊的威脅，區(qū)塊頭數(shù)據(jù)要對SHA2-256算法運(yùn)算兩次。
２：如果所有節(jié)點都從0開始嘗試Nonce值，那不就永遠(yuǎn)都是算力高的節(jié)點先計算出有效的結(jié)果，算力低的節(jié)點永遠(yuǎn)沒希望挖礦成功？
區(qū)塊頭大部分信息都是一樣的，但是Merkle Root對于每個節(jié)點必然是不同的，因為每個節(jié)點都會有自己的Coinbase交易，該交易中存在節(jié)點礦工的地址，此地址對于每個獨立挖礦節(jié)點都是不同的，根據(jù)哈希函數(shù)的雪崩效應(yīng)可知每個獨立節(jié)點的Merkle Root必定有顯著的區(qū)別。
３：如何解決拜占庭問題？
通過工作量證明就增加了發(fā)送信息的成本，降低節(jié)點發(fā)送消息速率，這樣就以保證在一個時間只有一個節(jié)點在進(jìn)行廣播，同時在廣播時會附上自己的簽名。工作量證明其實相當(dāng)于提高了做叛徒（發(fā)布虛假區(qū)塊）的成本，只有第一個完成證明的節(jié)點才能廣播區(qū)塊，競爭難度非常大，需要很高的算力，如果不成功其算力就白白的耗費(fèi)了，整個系統(tǒng)也因此而更穩(wěn)定。
總結(jié)
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