什么是PoW(工作量证明)?

新手11/21/2022, 8:28:44 AM
工作量证明是区块链领域最基本的一种共识机制,其思想启发了后来的所有区块链项目。

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:

  1. 架构简单、有效可靠,同时相对而言较容易实现;

  2. 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。

  3. 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:

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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,也有着显著的弊端。随着产业发展、用户人数增加,PoW机制能源浪费、效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。

作者:Ashley 译者:Ashley
文章审校:Hugo , Edward
本文仅代表作者观点,不构成任何交易建议。 本文内容为原创,版权为Gate.io所有,如需转载请注明作者和出处,否则将追究法律责任。

Author: Ashley
Translator: ashley
Reviewer(s): Hugo, Edward, Jiji
* The information is not intended to be and does not constitute financial advice or any other recommendation of any sort offered or endorsed by Gate.io.
* This article may not be reproduced, transmitted or copied without referencing Gate.io. Contravention is an infringement of Copyright Act and may be subject to legal action.

什么是PoW(工作量证明)?

新手11/21/2022, 8:28:44 AM
工作量证明是区块链领域最基本的一种共识机制,其思想启发了后来的所有区块链项目。

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:

  1. 架构简单、有效可靠,同时相对而言较容易实现;

  2. 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。

  3. 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:

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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,也有着显著的弊端。随着产业发展、用户人数增加,PoW机制能源浪费、效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。

作者:Ashley 译者:Ashley
文章审校:Hugo , Edward
本文仅代表作者观点,不构成任何交易建议。 本文内容为原创,版权为Gate.io所有,如需转载请注明作者和出处,否则将追究法律责任。

Author: Ashley
Translator: ashley
Reviewer(s): Hugo, Edward, Jiji
* The information is not intended to be and does not constitute financial advice or any other recommendation of any sort offered or endorsed by Gate.io.
* This article may not be reproduced, transmitted or copied without referencing Gate.io. Contravention is an infringement of Copyright Act and may be subject to legal action.
Start Now
Sign up and get a
$100
Voucher!