工作量证明

工作量证明 图片来自youtube

工作量证明（Proof-of-Work，PoW）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。

一般要求使用者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。此概念最早由Cynthia Dwork和Moni Naor于1993年的学术论文提出"DwoNao1992"，而工作量证明一词则是在1999年由Markus Jakobsson与Ari Juels."JaJue1999"所发表。现时此技术成为了加密货币的主流共识机制之一，如比特币所采用的技术。

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加密货币的应用

由于加密货币多由区块链所建构，而区块链本来就要依赖杂凑函数来做为资料正确无误的担保，所以在加密货币上使用工作量证明，是非常简明的设计。由分散在各处的计算机，竞赛谁能最早找出，搭配原本要打包的资料的穷举猜测值（nonce），谁就等同获得该区块的打包权（记帐权）。此猜测值被找出后，与资料、杂凑值一起打包成块后广播，经多数节点确认与承认，打包者就能获得打包该区块所提供的奖励。一般采用工作量证明的加密货币，好比比特币，会设定成随著参与竞赛的算力增减，而调整找寻猜测值的难度，以维持合理的运作速度。

• 优点
  • 架构简明扼要、有效可靠。
  • 由于要获得多数节点承认，那攻击者必须投入超过总体一半的运算量（51%攻击），才能保证篡改结果。这使得攻击成功的成本变得非常高昂，难以实现。
  • 某种程度上是公平的，你投入越多的算力，你获得打包权的机率也等比增加。

• 缺点
  • 非常浪费能源。投入在一种加密货币上的能源，可能会超过一个小型国家的总使用量。
  • 由于加密货币在世界上已成为一种投资标的，所以技术人员和富人，开发出了由ASIC组成的特制计算设备，垄断算力。这与加密货币的去中心化思想背道而驰。
    • 也因此，后期开发的加密货币有针对抗ASIC的演算法设计，例如以太坊采用的Ethash（Dagger-Hashimoto）算法。
    • 后期开发的加密货币陆续使用了POS机制（例如以太坊）或DPOS机制（例如比特股﹑EOS）。

技术原理

工作量证明最常用的技术原理是杂凑函数。由于输入杂凑函数h()的任意值n，会对应到一个h(n)结果，而n只要变动一个位元，就会引起雪崩效应，所以几乎无法从h(n)反推回n，因此借由指定寻找h(n)的特征，让使用者进行大量的穷举运算，就可以达成工作量证明。

我们若指定h(n)的16进位值的前四值，求n，这样统计上平均约要运行216次h(n)杂凑运算，才会得到答案，但验算只要进行一次就可以了。如果想要增加难度，那就增加指定的位数即可。以SHA256函数举例，假设我们要处理资料Hello World，并找出h(n)前四值为0000的n，如果从Hello World0开始加上一个十进位数ASCII进行穷举猜测，到Hello World107105时才会得到符合条件的h(n)：

0000BFE6AF4232F78B0C8EBA37A6BA6C17B9B8671473B0B82305880BE077EDD9

验算时只要将Hello World107105代入SHA256函式一次即可。