PoW共识机制的原理

1 PoW机制

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。一般是要求用户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。

• 工作量证明的特点是什么？
  即是难于计算，却易于验证。
• 产生工作量的方法是什么？
  不断哈希不同的值， 直到哈希值符合一定的条件。
• 工作量证明如何验证?
  接收方对证明进行哈希， 看是否符合上述条件，可以快速验证。

2 比特币如何使用PoW共识机制

比特币的共识机制就是PoW共识，借鉴了HashCash的处理方法， 下面就来说说比特币如何进行PoW共识的。

区块结构

从区块头的结构中可以看到一个4 bytes的Nonce值，Nonce值的变动会影响整个区块头的哈希值，挖矿节点即是通过尝试不同的Nonce值（通常从0开始每次加1），寻找一个哈希值小于Difficulty Target指定的难度值。

Size	Field	Description
4 bytes	Version	区块版本号，目前为2
32 bytes	Previous Block Hash	前置区块（父区块）的区块头Hash，Hash算法为double-SHA256
32 bytes	Merkle Root	区块中交易Merkle树根
4 bytes	Timestamp	区块创建UNIX时间戳
4 bytes	Difficulty Target	工作量证明算法难度
4 bytes	Nonce	通过变动该计数器来达成工作量证明要求的结果

3 PoW证明过程

PoW证明过程，这也就是俗称的挖矿过程， 找到合适的哈希值。
这里不详细说明区块打包过程， 区块通过一定的算法被生成， 当然生成是需要一定的代价的。
区块头里的各个值并不是随机的， 而是由固定的算法得出， Merkle根哈希值就是把交易打包变成一颗Merkle树， 最后得出根的哈希值， 难度值是根据算法不断调整， 要维持出块速率是10分钟出一个块。

PoW证明过程

首先我们把所有交易打包生成Merkle树， 计算Merkle根的哈希值， 然后组装区块头， 把区块头不断进行SHA256(SHA256(区块头))双重哈希操作， 然后判断是否小于网络目标值， 这里其实就是把它变成2进制， 二进制前面有多少位是没有0的， 因为有1的话， 这个十进制的值肯定是很大的， 就不会符合条件。 如果大于这个目标值， 说明前面的位数没有满足前多少位为0的条件 哈希不成功， 那么就改变随机数值，组成新的区块头，继续哈希。
这是就是是挖到矿了，其他节点验证的话也简单，只要做一次SHA256(SHA256(验证区块头))来判断。

挖矿难度

比特币挖矿难度调整方式非常简单，难度目标调整即不断将256位的难度值减小，如277315号区块的难度值十六进制表示为：0x0000000000000003A30C00000000000000000000000000000000000000000000
这个数字在二进制表示下前60位均是0，如果要增加难度只需要减小这个值，随着难度值的减小，起始0的个数增多，可寻找的哈希值范围减小，挖矿难度就越大。

难度调整

难度的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每2016个区块，所有节点都会按统一的公式自动调整难度。如果区块产生的速率比10分钟快则增加难度，比10分钟慢则降低难度。
公式可以总结为：新难度值=旧难度值×（过去2016个区块花费时长/20160分钟）

4 POW的优缺点

优点

• 去中心化，将记账权公平的分派到其他节点
  记账权是通过看节点的PoW， 谁挖矿最快， 谁就能拿到这个矿
• 安全性高，破坏系统需要投入极大的成本
  因为获得正确哈希值的概率和算力成正比， 如果没有掌握51%的算力就不能作弊。这样代价要高于诚实挖矿，所以安全性高

缺点

• 会造成资源浪费
  因为挖矿需要大量的哈希运算，需要电力和各种算力资源，而且找到合适的哈希值实际上并没有其他的作用
• 网络性能太低
  因为比特币出块的时间是10分钟， 所以交易确认至少需要10分钟，而且目前支持支持每秒7笔交易的速度，不适合商业用处。
• PoW共识算法算力集中化。
  目前挖矿矿池是主力， 算力高的矿池有选择权， 持本人么有参与决定的权利

思考

１：挖矿过程为什么要计算两次哈希值？
中本聪在设计比特币的挖矿算法的时候，考虑到SHA2-256算法存在被破解的可能，虽然在理论上并未出现对SHA2-256算法的攻击。为了减弱攻击的威胁，区块头数据要对SHA2-256算法运算两次。

２：如果所有节点都从0开始尝试Nonce值，那不就永远都是算力高的节点先计算出有效的结果，算力低的节点永远没希望挖矿成功？
区块头大部分信息都是一样的，但是Merkle Root对于每个节点必然是不同的，因为每个节点都会有自己的Coinbase交易，该交易中存在节点矿工的地址，此地址对于每个独立挖矿节点都是不同的，根据哈希函数的雪崩效应可知每个独立节点的Merkle Root必定有显著的区别。

３：如何解决拜占庭问题？
通过工作量证明就增加了发送信息的成本，降低节点发送消息速率，这样就以保证在一个时间只有一个节点在进行广播，同时在广播时会附上自己的签名。工作量证明其实相当于提高了做叛徒（发布虚假区块）的成本，只有第一个完成证明的节点才能广播区块，竞争难度非常大，需要很高的算力，如果不成功其算力就白白的耗费了，整个系统也因此而更稳定。