共识机制——PoW工作量证明

一、POW共识机制存在原因

在以比特币为主的区块链数字货币数字里，每个身份都是匿名的，这样就会存在Sybil Attack，用户用多个身份获取多个投票权利，只要身份够多，就可以允许伤害比特币体系的行为比如双花行为。因此，基于hashcash机制（早期用来防止垃圾邮件，证明自己发邮件是花了资源去完成的），取代用身份投票的机制，改用资源进行投票（即记账），，因为每个身份想参与投票都需要进行大量的资源进行工作，累计起来会是一个很昂贵的资源代价，从而提高作假者的作假成本。

二、POW原理

矿工要想获取记账权，必须根据上一区块的hash值，以及这段时间（大概是十分钟）的交易形成的Markle Tree的Markle Root数值，再加上自己猜测的一串随机数 Nonce，使得SHA（Prev_Hash + Markle Root + Nonce） < 比特币网络给出的某个数（暂称A），矿工获得记账权的过程就是不断计算直到获得符合条件的Nonce，这个过程也叫做挖矿，先计算出Nonce的矿工获得该区块的记账权。而A则代表了挖矿的难度，A越小难度越大。系统会每隔14天，经过约2016个区块后根据这段时间的平均挖矿时间来调整A值，使得生成区块的时间稳定在10分钟左右。矿工在获得新区块记账权的同时也会获得奖励以及交易费。

矿工为了获得新区块的记账权，需要付出时间和计算力，而且付出算力越多的矿工，获得记账权的几率越大，所以这就使得Sybil Attack现象付出了巨额代价，作恶成本提高。

（图片来源陈川老师PPT）

三、POW优缺点

1. POW优点

安全性提高。因为获得记账权需要付出代价，而且想更大概率获得就得付出更多算力，因此作恶者想通过获得区块链记账权方式来作弊，必须付出大量经济成本如电力和算力，而且还不一定会获得记账权，因此欺诈成本可能会高于作恶带来的利益，导致作恶者放弃作恶。

去中心化。区块的记账权所有节点都是公平竞争，“多劳多得”，并不是由一个人主导的，即使拥有极大算力，也有一定的概率失去记账权，每个区块由谁记账是不确定的，很好符合区块链去中心化的特征。

2. POW缺点及存在问题

资源浪费。因为矿工挖矿过程需要计算Nonce串来争得记账权，这个过程中需要消耗大量电力和算力，甚至节点与节点之间演变成“军备竞赛”，所有人都参与挖矿，导致挖矿速度变快，然后A变小，挖矿难度变大，所需资源也会更多。但这些计算都只是求Nonce串，并没有什么实际意义，白白浪费了这么多资源。

交易速度慢。因为每隔十分钟才会出一个新块，所以交易并不是立即完成的，必须等待矿工挖矿成功，而且还得等其他节点确认。同时，区块大小也是有限的，有可能存在该时段产生交易过多，无法全部记录，所以就会造成交易阻塞情况。

理论上存在51%攻击。尽管拥有51%的算力是极其困难的，但这种情况还是存在的，比如作恶的人组成联盟等等，掌握51%算力的节点可以通过增加分支等来否认之前的交易。

四、解决思路

1. 节点不通过无意义的计算获得记账权，可以考虑与某些研究机构或企业合作，将其需要大量算力的研究项目分割成小问题，矿工挖矿不需要再去计算Nonce，而是解决一个这样一个小问题，谁先达到问题的要求即可获得记账权，这样就不会白白浪费资源。

2. 不直接采用POW共识机制，而是将POW和POS相结合，一是可以减少资源浪费，二是可以防止算力越大的节点在获得记账权上统治力越大。

3. 增大区块的大小或者降低挖矿难度，使交易速度加快

4. 交易双方中，收款方在接到转账通知后，不急于转交货物，而是等该交易确定后六个区块再转交货物，此时即使拥有51%的算力，想修改六块已确定的区块，难度还是非常大的。