工作量证明挖矿

在“区块”这个章节简短的说明了一下区块难度这个概念。给予区块难度意义的算法叫做工作量证明（PoW）。

以太坊的工作量证明算法称之为“Ethash” （之前叫做Dagger-Hashimoto）。

算法正式定义为：

m代表的是mixHash，n代表的是nonce，Hn代表的是新区块的头（不包含需要计算的nonce和mixHash），Hn是区块头的nonce，d是DAG ，就是一个大数据集。

在”区块”章节，我们讨论了存在于区块头中的多项。其中两项叫做mixHash和nonce。也许你会回忆起：

PoW函数就是用来估算这两项的。

mixHash和nonce到底是如何使用PoW函数来计算出来的有点复杂，如果深入了解的话，我们可以另写一篇文章来讲解了。但是在一个高层面上，它大致就是这样计算的：

会为每个区块计算一个”种子”。每个“时期”的种子都不一样，每个时期是30,000个区块长度。对于第一时期，种子就是32位0的hash值。对于后续的每个时期，种子就是前一个种子hash值的hash值。使用这个种子，节点可以计算一个伪随机“缓存”。

这个缓存是非常有用的，因为它可以使“轻节点”的概念变成现实，轻节点概念在这篇文章的前面讨论过。轻节点的目的就是让某个节点有能力高效的校验交易而用不着存储整个区块链的数据集。一个轻节点可以仅基于缓存来校验一个交易的有效性，因为缓存可以重新生成需要校验的特定块。

使用这个缓存，节点可以生成DAG“数据集”，数据集中的每项取决于缓存中少量伪随机选择项。为了成为矿工，你需要要生成全数据集，所有全客户端和矿工都保存这个数据集，并且这个数据集随着时间线性增长。

然后矿工可以随机抽取数据集中的部分并将它们放入一个数学函数中Hash出一个”mixHash”。矿工会重复生成mixHash直到输出的值小于想要的目标值nonce。当输出的值符合这个条件的时候，nonce就被认为是有效的，然后区块就被添加到链中。

挖矿作为安全机制

总的来说，PoW的目的就是以加密安全的方式证明生成的一些输出（也就是nonce）是经过了一定量的计算的。因为除了列举所有的可能性，没有更好的其他方法来找到一个低于要求阈值的nonce。重复应用Hash函数的输出均匀分布，所以我们可以确保，在平均值上，找到满足要求的nonce所需时间取决于难度阈值。难度系数越大，所需时间越长。这样的话，PoW算法就给予难度这个概念的意义了：用来加强区块链的安全。

我们所说的区块链的安全又是什么意思？这非常简单：我们想要创造一个每个人都信任的区块链。像我们之前在这篇文章中讨论的那样，如果存在超过1条以上的链，用户的信任就会消失，因为他们没有能力合理的确认哪条链才是“有效的”。为了让一群用户接受存储在区块链中的潜在状态，我们需要有一群人信任的一个权威区块链。

这完完全全就是Pow算法所做的事情：它确保特定的区块链直到未来都一直保持着权威性，让攻击者创造一个新区块来重写某个历史部分（例如清除一个交易或者创建一个假的交易）或者保持一个分叉变得非常困难。为了首先让他们的区块被验证，攻击者需要总是比网络上的其他人要更快的解决掉nonce问题，这样网络就会相信他们的链是最重的链（基于我们之前提到的GHOST协议原则）。除非攻击者拥有超过一半的网络挖矿能力（这种场景也被称为大多数51%攻击 ），要不然这基本上是不可能的。

挖矿作为财富分配机制

除了提供一个安全的区块链，PoW同样也是分配财富给那些为提供这个安全而花费自己计算力的人的一种方法。回忆一下，一个矿工挖出一个区块的时候会获得奖励，包括：

为“获胜”区块提供的5 ether静态区块奖励（马上就会变成3 ether ）

区块中的交易在区块内所消耗的gas

纳入ommers作为区块的一部分的额外奖励

为了保证PoW共识算法机制对安全和财富分配的使用是长期可持续的，以太坊努力灌输这两个特性：

尽可能的让更多的人可访问。换句话说，人们不需要特殊的或者与众不同的硬件来运行这个算法。这样做的目的是为了让财富分配模式变的尽可能的开放，以便任何人都可以提供一些算力而获得Ether作为回报。

降低任何单个节点（或小组）能够创造与其不成比例的利润可能性。任何可以创造不成比例的利润的节点拥有比较大的影响力来决定权威区块链。这是件麻烦的事情，因为这降低了网络的安全性。

在区块链网络中，一个与上面两个特性有关的一个问题是PoW算法是一个SHA256哈希函数。这种函数的缺点就是它使用特殊的硬件（也被称之为ASCIs）可以更加快速高效的解决nonce问题。

为了减轻这个问题，以太坊选择让PoW算法(Ethhash) 提高内存级别难度。意思是此算法被设计为计算出要求的nonce需要大量的内存和带宽。大量内存的需求让电脑平行的使用内存同时计算多个nonce变得极其困难，高带宽的需求让即使是超级电脑同时计算多个nonce也变得十分艰难。这种方式降低了中心化的风险，并为正在进行验证的几点提供了更加公平的竞争环境。

有一件值得注意的事情是以太坊正在从PoW共识机制渐渐转换为一个叫做“权益证明(PoS)”的共识算法。这就是一个比较野心的话题了，我们希望可以在未来的文章中探索这个话题。