工作量证明详解
通俗讲解工作量证明：挖矿如何保护 Bitcoin 等区块链、为什么会消耗能源、难度如何调整，以及它的主要风险和争议。
工作量证明（proof of work，PoW）是一种共识机制：被称为矿工的计算机竞相解决一道计算难题，胜出者获得将下一个交易区块添加到区块链上的权利。解题需要海量的尝试和真实的能源消耗，但任何人都能瞬间验证答案，这使得账本攻击起来代价高昂，核查起来却十分便宜。
自 2009 年以来，正是这套系统在保护 Bitcoin。理解它，就能明白挖矿为何存在、Bitcoin 为何耗电如此之多，以及为什么一些网络转向了权益证明等替代方案。
工作量证明要解决的问题
去中心化账本没有中央银行或公司来决定哪些交易有效。即使部分参与者可能不诚实，成千上万台独立的计算机也必须就同一份历史记录达成一致。如果你对 Litecoin 还不熟悉，可以先阅读什么是 Litecoin（LTC）及其运作方式。
最难的是防止双花，即通过广播相互冲突的交易把同一枚币花两次。工作量证明通过让创建区块变得昂贵来解决这个问题。有效的链是累积工作量最多的链，因此攻击者要想改写它，就必须超过网络其余部分的算力总和。我们的 Ethereum Classic（ETC）2026–2027 年价格情景分析将同样的催化因素与风险分析方法应用于一个相关项目。如果想进一步了解，请阅读共识机制详解。
这个想法早于 Bitcoin。Adam Back 于 1997 年提出的 Hashcash 就使用了类似的难题，让发送垃圾邮件变得代价高昂。Satoshi Nakamoto 在 Bitcoin 白皮书中改造并采用了这一概念。
挖矿如何一步步进行
- 1收集交易。 矿工从内存池（mempool）中收集待处理的交易，组装成一个候选区块。
- 2构建区块头。 区块头包含对上一个区块的引用、交易摘要、时间戳以及一个名为 nonce 的字段。
- 3反复计算哈希。 矿工将区块头输入哈希函数（以 Bitcoin 为例，是进行两次 SHA-256），每次尝试都会更改 nonce 和其他字段。
- 4检查目标。 如果得到的哈希值低于网络的难度目标，难题就解开了；否则就再试一次。
- 5广播区块。 获胜的矿工将区块分享出去，其他节点在几分之一秒内即可完成验证。
- 6领取奖励。 矿工获得区块补贴（新发行的币）以及交易手续费。
由于哈希输出无法预测，找到有效哈希值的唯一办法就是暴力猜测。我们的 Bitcoin 挖矿指南介绍了相关硬件和经济学。
难度调整
如果更多矿工加入，区块就会更快被找到；如果矿工离开，速度就会变慢。为了保持稳定的节奏，工作量证明网络会自动调整难度。
Bitcoin 每 2,016 个区块（大约每两周）重新计算一次难度，目标是平均每 10 分钟产出一个区块。其他网络的调整则更频繁。这种反馈机制意味着，即使大部分矿工突然关机，网络也能继续运行。另请参阅：什么是加密货币？一份清晰的新手指南。
安全性：51% 攻击
工作量证明的安全性建立在获取多数哈希算力的成本之上。掌握一半以上算力的攻击者可以：
- 重新排列或排除最近的交易。
- 通过替换一笔已确认的交易，双花自己的币。
但他们无法从他人的地址中窃取币，也无法在协议规则之外凭空造币，因为每个节点仍会检查签名和规则。
在 Bitcoin 上，发动这种攻击的成本极其巨大。较小的工作量证明链则是另一回事：例如，Ethereum Classic 在 2019 年和 2020 年就遭受过多次 51% 攻击。我们关于什么是 51% 攻击的解读文章有更深入的介绍。
工作量证明与权益证明对比
| 方面 | 工作量证明 | 权益证明 |
|---|---|---|
| 使用的资源 | 算力和电力 | 锁定的币（质押） |
| 区块生产者 | 矿工 | 验证者 |
| 能耗 | 高 | 低 |
| 攻击成本 | 购买硬件和能源 | 获取大部分已质押的币 |
| 作弊惩罚 | 能源白白浪费，错失奖励 | 罚没（slashing）已质押的币 |
| 示例 | Bitcoin、Litecoin、Monero | Ethereum、Cardano、Solana |
Ethereum 于 2022 年 9 月从工作量证明转向了权益证明。完整对比请参阅 PoW 与 PoS。我们的文章 Monero 与 Bitcoin 对比对这一点有进一步阐述。
挖矿算法各不相同
并非所有工作量证明币都使用同一种难题：
- SHA-256：Bitcoin 和 Bitcoin Cash。由被称为 ASIC 的专用矿机主导。
- Scrypt：Litecoin 和 Dogecoin，二者可以通过合并挖矿（merge mining）一起挖。
- RandomX：Monero，旨在偏向普通 CPU 并抵御 ASIC。
- Etchash：Ethereum Classic。
算法的选择会影响谁能盈利地挖矿，以及挖矿的集中程度。另请参阅：什么是内存池（mempool）？
争议与风险
- 能源消耗。 Bitcoin 挖矿耗电量巨大。支持者认为它越来越多地利用了闲置或过剩的能源；批评者则认为无论如何都是浪费。
- 矿池集中。 大多数个人矿工会加入矿池以平滑收益。少数大型矿池可能控制很大比例的哈希算力，不过个人矿工可以切换矿池。
- 硬件集中化。 ASIC 的制造集中在少数几家公司手中。
- 长期安全预算。 由于 Bitcoin 的区块补贴大约每四年减半一次，手续费将需要在矿工收入中占据更大比重。
- 小型链的脆弱性。 哈希算力较少的币可能会被人利用租来的算力发动攻击。
总结
工作量证明通过让出块变得昂贵、让验证变得便宜来保护区块链。它在 Bitcoin 上拥有无可比拟的可靠记录，但消耗大量能源，而且安全性在很大程度上取决于网络规模。评估一枚工作量证明币时，要问清楚有多少哈希算力在保护它、挖矿的集中程度如何，以及网络从长远来看将如何为安全买单。
常见问题
用简单的话说，什么是工作量证明？
工作量证明是一种让区块链在没有中心机构的情况下就哪些交易有效达成一致的方法。矿工们竞相寻找一个数字，使区块的哈希值满足难度目标。找到这个数字需要海量计算，但验证却是瞬间完成的，因此诚实的工作很容易验证，而伪造则代价高昂。
为什么工作量证明要消耗这么多能源？
矿工让专用硬件不间断运行，每秒进行数万亿次尝试，以找到一个有效区块。正是这种能源成本让攻击者改写历史的代价变得高昂。支持者认为这是安全的代价；批评者则认为与权益证明相比，这是一种浪费。
哪些加密货币使用工作量证明？
Bitcoin 是最著名的例子。其他还包括 Litecoin、Dogecoin、Bitcoin Cash、Monero、Ethereum Classic 和 Kaspa。Ethereum 一直使用工作量证明，直到 2022 年 9 月转向权益证明。
工作量证明区块链会被攻击吗？
会。如果某一方控制了网络一半以上的挖矿算力，就可以重新排列最近的区块并双花代币，这被称为 51% 攻击。在 Bitcoin 这样的大型网络上，这样做的成本极高，但在较小的工作量证明链上确实发生过。