浅谈POW共识机制及优缺点

POW工作量证明（英文全称为Proof of Work）在比特币之前就已经出现，中本聪在设计区块链的共识机制的时候就是借鉴了POW工作量证明。常见的是利用HASH运算的复杂度进行CPU运算实现工作量确定。工作量证明（Proof-of-Work，PoW）一般定义是一种对应服务与资源滥用、或是阻断服务攻击的经济对策。一般是要求用户进行一些耗时适当的复杂运算，并且答案能被服务方快速验算，以此耗用的时间、设备与能源做为担保成本，以确保服务与资源是被真正的需求所使用。

区块链的PoW共识机制， 借鉴了很多HashCash方面的东西，HashCash 最早是用来处理垃圾邮件的。

在一个PoW系统中， 一定会有两个角色， 一个是工作者， 一个是验证者。那区块链如何进行PoW共识的呢？

首先我们需要先了解一下区块的构成，区块分为区块头和区块体， 其中区块之间的联系是通过存储父区块哈希联系在一起的。区块头的各个组成要素：父区块头哈希值：前一区块的哈希值，使用**SHA256(SHA256(父区块头))**计算。占32字节

时间戳：该区块产生的近似时间，精确到秒的UNIX时间戳，必须严格大于前11个区块时间的中值，同时全节点也会拒绝那些超出自己2个小时时间戳的区块。占4字节

难度：该区块工作量证明算法的难度目标，已经使用特定算法编码。占4字节

随机数（Nonce）：为了找到满足难度目标所设定的随机数，为了解决32位随机数在算力飞升的情况下不够用的问题，规定时间戳和coinbase交易信息均可更改，以此扩展nonce的位数。占4字节

Merkle根：该区块中交易的Merkle树根的哈希值，同样采用SHA256(SHA256())计算。占32字节

PoW证明过程也就是俗称的挖矿过程，也就是找到合适的哈希值，这里不详细说明区块打包过程， 区块通过一定的算法被生成， 当然生成是需要一定的代价的。区块头里的各个值并不是随机的， 而是由固定的算法得出， Merkle根哈希值就是把交易打包变成一颗Merkle树， 最后得出根的哈希值，难度值是根据算法不断调整，要维持出块速率是大约10分钟出一个块。

首先我们把所有交易打包，生成Merkle树，计算Merkle根的哈希值，然后组装区块头，把区块头不断进行SHA256(SHA256(区块头))操作，然后判断是否小于网络目标值，这里其实就是把它变成2进制，二进制前面有多少位是没有0的，因为有1的话，这个十进制的值肯定是很大的，就不会符合条件。如果大于这个目标值，说明前面的位数没有满足前多少位为0的条件哈希不成功，那么就改变随机数值，组成新的区块头，继续哈希。这是就是挖到矿了，其他节点验证的话也简单只要做一次SHA256(SHA256(验证区块头))来判断。

PoW优点非常明显：去中心化，将记账权公平的分派到其他节点，记账权是通过看节点的PoW， 谁挖矿最快， 谁就能拿到这个矿，安全性高，破坏系统需要投入极大的成本，因为获得正确哈希值的概率和算力成正比，如果没有掌握51%的算力就不能作弊。这样代价要高于诚实挖矿，所以安全性高

缺点也相对突出：会造成资源浪费，因为挖矿需要大量的哈希运算，需要电力和各种算力资源，而且找到合适的哈希值实际上并没有其他的作用。网络性能太低因为比特币出块的时间是10分钟， 所以交易确认至少需要10分钟，而且目前支持支持每秒7笔交易的速度，不适合商业用处。PoW共识算法算力集中化。目前挖矿矿池是主力，算力高的矿池有选择权， 持本人么有参与决定的权利

鉴于pow的缺点，现在公链的突破主要集中在了提升网络性能和适应商业应用上，比如目前在性能上完全支撑全球房产上链的REITs CHAIN公链，就是采用了将采用POW+DPOS混合机制，数据处理峰值速度已经超过了3000TPS（每秒处理交易数量）远远高于比特币的5TPS，已经能够满足大部分应用场景的需求。

本文借鉴了许多技术大咖的论述，一并感谢，虽然尽量将其通俗化了，但肯定有不当之处，欢迎大家批评指正。

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编译者/作者：酱香型韭菜

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