【区块链】工作量证明（PoW）讲解

比特币是第一个区块链成功应用，区块链是去中心化账本，每个区块相当于账本的每页，每页都记录着交易信息。

从去中心化账本的角度来看，每个加入到比特币网络节点都要保存一份完整的账本。如果每个节点不能同时记账，处于不同网络，接收不同节点信息，难以保证获得最新账本信息。如果每个节点同时记账的话，必然会导致账本的不一致，造成账本混乱。

比特币区块链通过竞争记账方式解决去中心化的账本一致性问题。竞争记账是过程，而不证明竞争结果。采用工作量证明（Proof of Work，PoW）的机制来实现竞争结果判定。

PoW是确认做了多少工作量的证明。使用例子说明PoW整个证明流程。例子如下:

使用“blockchain”，在字符串后面加上nonce的整数值串。工作量要求是：在“blockchain”+nonce进行SHA256哈希运算，如果得到哈希结果（以十六进制表示）是以若干个0开头，则验证通过。

需要经过2688次计算才能找到3位均为0的哈希值，而要找到前6位均为0的哈希值，则需要进行620969计算。见下图：

图1

哈希结果要满足前n位均为0要求，需要多次进行哈希值的计算。一般来说，n值越大，需要完成的哈希计算量也越大。要寻找4个前导0的哈希值，预期大概要进行2^16尝试。

比特币网络中任何一个节点，如果想生成一个新的区块并写入区块链，必须解出比特币网络的PoW的题目。

解出比特比网络PoW题目关键3个要素是：工作证明函数、区块和难度值。

1.工作证明函数

​ 工作量证明函数是计算方法。在比特币系统使用SHA256作为工作量证明函数。

2.区块

​ 区块决定输入数据，因为使用区块头作为工作量证明输入数据。区块头共有80个字节，请看下图。

图2

在构造区块过程中，需要将该区块要含有的交易信息列表，通过Merkle树诉算法生成哈希值，把它作为区块头Merkle根的值。

Merkle树是完全二叉树，通过哈希值的计算，将这棵二叉树转化为Merkle树。

图3

在上图可以看出有四个交易：Txa~Txd，分别计算各自哈希值进行运算，得出Merkle树根。
现在区块头能有确定值的字段分别是：版本、父区块哈希值、Merkle根、时间戳。Nonce是用于工作量证明计数器，需要不断运算。难度目标在3.难度值讲解。

3.难度值

​ 难度值决定大约需要经过多少次哈希运算产生一个合法区块。

在全网算力不断变化，需要维持平均10分钟出一个区块，难度值必须根据全网算力的变化进行调整。

难度调整是每个完整节点中独立自动发生。每2016个区块，所有节点都会按统一公式自动调整难度，调整公式：

新难度值=旧难度值*（过去2016个区块花费时长/20160分钟）

工作量计算有一个目标值：

目标值=最大目标值/难度值。

最大目标值是恒定：

0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF

目标值的大小与难度值成反比，比特币工作量证明要求矿工计算出来哈希值必须小于目标值。把目标值作为区块头难度目标值。

�根据上述讲述，梳理工作量证明步骤如下:

1. 构建区块，把将要写入区块交易信息组成交易列表，通过Merkle树算法把交易列表信息生成Merkle根哈希。

2. 把Merkle根哈希、难度值等相关字段组装成区块头，把区块头80字节数据作为工作量证明的数据输入。

3.不停地变更区块头的随机数，即nonce的数值，变更后不断采用SHA256运算。与目标值做对比，如果小于目标值，则解题成功，工作量证明完成。

在工作量证明完成后，产生新的区块。当新区块在网络中传播时，每个节点广播到其他节点。

参考书籍如下：
《精通比特币》
《区块链技术指南》邹均