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小白问答 | 详细答疑比特币采用的POW共识机制

Pow工作量证明,就是大家熟悉的挖矿。

所谓“外行看热闹,内行看门道”,很多小白都迫切想要参与到这场属于区块链的时代洪流中来,然而区块链因其所具备的专业性、复杂性、综合性,在无形中筑起了认知的高墙,让很多普通人难以靠近,这对区块链技术的普及显然是不甚利好的。
基于此,比特家特别策划了「小白问答」专题,帮助小白降低区块链的认知门槛,也希望小白通过学习能够鉴别出真正靠谱的区块链项目。

对于什么是POW共识机制以及POW机制运行原理很多小白们明显存在着认知模糊和认知偏差的问题,今天比特家就通过问答的形式,帮助大家梳理一下POW工作量证明的相关知识。
【Q1】小白:比特币采用的POW共识机制是什么?
比特家:POW指比特币协议中的工作量证明机制,Pow工作量证明,就是大家熟悉的挖矿,通过参与或运算,计算出一个满足规则的随机数,即获得本次记账权,发出本轮需要记录的数据,全网其它节点验证后一起存储。
工作证明机制看似很神秘,其实在社会中的应用非常广泛。例如,毕业证、学位证等证书,就是工作证明,拥有证书即表明你在过去投入了学习与工作。生活大部分事情都是通过结果来判断的。
通俗一点的说,我把工作量定义为”你要付钱给对方、对方才会去做的事”。也就是说,如果不花点成本,工作就无法完成。比特币就符合上面两项工作量证明的定义。
【Q2】小白:POW机制的具体是如何进行工作的?
比特家:工作量证明机制的基本步骤:
  1. 节点监听全网数据记录,通过基本合法性验证的数据记录将其进行暂存;
  2. 节点消耗自身算力尝试不同的随机数(nonce),进行指定的哈希计算,并不断重复该过程直到找到合理的随机数,这一过程也被称为“挖矿”;
  3. 找到合理的随机数后,生成区块信息(块头+块身);
  4. 节点对外部广播出新产生的区块,其他节点验证通过后,连接至区块链中,然后所有节点切换至新区块后继续进行下一轮挖矿。
【Q3】小白:挖矿的目的是什么?
比特家:挖矿有两个目的:
  1. 验证交易的合法性,或避免所谓的双重消费;
  2. 通过奖励矿工执行之前的任务来创建新的数字货币。
【Q4】小白:只有通过计算找到新区块才有奖励吗?
比特家:通过计算找到新区块是获取奖励的其中一种方式;矿工还可以通过打包区块中交易的方式获得交易费用(交易双方为了交易被区块链尽早记录会提供给矿工一笔交易费用作为激励)。
【Q5】小白:POW矿工如何获得更多比特币?
比特家:获得比特币奖励的过程也就是获取区块链网络记账权的过程,这个几率是取决于矿工们的算力占全网的比例,如果占比是30%,那么所获得的记账权几率也就是30%。
所以,只有矿工提高工作量和算力才能更有竞争力,这样才能获得更多比特币奖励。
【Q6】小白:POW工作量证明如何实现去中心化?
比特家:一是每个POW矿工都参与记账权的竞争并对每一次的区块广播进行记录,因此单点故障不会影响整体账本的可信性。二是在网络节点足够多的情况下,掌握更多算力需要很高的成本,发起攻击难度很高,遭到破坏的可能性很低。 三是大多数POW矿工节点很难通过合谋等方式为自己谋取更多的利益。
【Q7】小白:POW是如何做到账本数据不可篡改的?
比特家:SHA256 是比特币工作量证明挖矿使用的哈希方程。
SHA256 保护账本不被重写。一个哈希进,一个哈希出;挖出一个哈希,要反写就需要一个哈希。就是这一点,给予了比特币不可篡改的属性
【Q8】小白:工作量证明的优势是什么?
比特家:POW的优势主要有以下几点:
  1. 单就共识机制而言,POW在数学上足够简单、规则简洁;
  2. POW完全去中心化,节点间无需交换额外的信息即可快速达成共识;
  3. POW不设门槛,每个人都能随时加入到网络节点中来并进行生产出块;
  4. 破坏成本高,需要投入巨大成本才能破坏整个系统,有一定安全保障。
【Q9】小白:那POW有什么缺陷呢?
比特家:POW的缺点主要有以下几点:
  1. POW工作量证明被人诟病的一个重要原因在于其需要消耗大量的算力以及使用非常昂贵的挖矿设备,造成了资源的浪费;
  2. POW机制需要达成共识的周期过长,区块的确认时间难以缩短,导致每秒仅仅只能做几笔交易。例如,比特币的每秒交易 TPS 只能做7笔。跟中心化每秒10万以上的交易相比,完全无法媲美。
  3. 工作量证明机制一开始本身没有门槛,只要你有一台电脑就能挖矿,但是随着挖矿难度的增加,人们进而使用价格更贵的CPU甚至是ASIC矿机进行挖矿,谁愿意花钱买更多的矿机挖矿,谁就能够获得更多算力,从而控制网络共识;
  4. 同时还要注意的是,由于只有通过持续的哈希碰撞工作才有机会找到新区块并获得奖励,因此持币者在这个过程中几乎难以获得好处,也几乎没有什么权利,这就降低了持币者的持币意愿,不利于整个区块链网络保持高度的活性。
  5. 基于PoW机制,比特币很难成为网络电子现金支付系统,因为对于每次系统的升级、规则算法的更改都容易引发争议,这就容易导致分叉,从而削弱整个区块链网络的共识能力。
【Q10】小白:那这样是不是意味着区块链的去中心化和不可篡改的特性会大打折扣呢?
比特家:是这样的,在这种机制下,由于挖矿所需的长期资本投入,矿工们会自发地以能最大化其报酬的方式去行动,因此形成了矿池,而矿机生产商能够轻易地建立大型矿池,从而控制整个区块链网络的绝大多数算力,这样就形成了算力垄断,导致了权利的集中,网络持续受到被攻击的威胁,违背了区块链去中心化的精神。
【Q11】小白:既然大矿工掌握了多数算力,那比特币网络为什么还没有受到攻击呢?
比特家:比特币采用POW, 若修改一个区块需要重做这个区块以及这个区块之后所有区块的工作量证明,这意味着攻击比特币就必须拥有全网一半以上的算力(51%攻击),但这会使得攻击非常昂贵,因此矿工们会自觉的保持诚实地工作。
【Q12】小白:为什么很多采用工作量证明的币受到过51%攻击呢?
比特家:一些基于POW工作证明的小型网络,相对来说更容易遭受攻击,因为黑客可以以很低的成本控制节点并获取51%的运算力,比如BTG就遭受过51%攻击威胁。

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小白问答 | 12个问题答疑 帮你理清POS权益证明
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