上一篇文章中，我们简单介绍了分布式一致性的相关概念，以及由此发展出来的区块链常用的共识算法。今天我们就对其中的PoW算法进行深入介绍。

区块链这个概念是随着比特币的诞生而兴起的，而比特币采用的就是PoW算法，因此工作量证明的概念被得以广泛传播。

实际上，工作量证明并不是一个新概念，早在1993年就有学者以学术论文的形式提出了这一概念。

工作量证明，就是指用一个结果，来证明你做了这份工作。比方说你住酒店，早上出门时房间里很乱，晚上回来发现房间收拾得干净整齐，这就证明保洁阿姨完成了打扫工作。

为什么需要工作量证明呢，因为监测工作的整个过程是非常低效的。我不需要时刻盯着你是不是在干活，你只需要拿出你干完活之后的结果给我看，我就能证明你确实干了活。

当然，这个结果得是不能轻易通过其他渠道获得的。如果能轻易拿钱买到一个大学毕业证，就不能说这个毕业证证明了我确实读过大学。

最初，这种方式是用来应对服务资源滥用，或用来阻断拒绝服务攻击的经济对策。它要求用户进行一些耗时适当的复杂运算，并且答案能够很快被服务方验证，以此来保证服务是被真正有需要的人所使用。这种策略实际上就是提高了攻击者的成本，从而降低攻击可能性。

由此可以看出工作量证明的核心设计思路：提出一个难题，需要回答者耗费一定时间和资源才能解答。但对于验证者而言，验证起来需要十分容易。这个特性，我们称之为计算不对称特性。

上面介绍了工作量证明的基本概念，下面我们看一下比特币中的工作量证明是如何设计的。

比特币的原理涉及到了密码学知识。在密码学中，有一种东西天然符合我们刚刚所说的计算不对称特性，它就是哈希函数。

哈希函数的特性是：已知A，能很容易算出结果B；但是知道结果B，不能反推出A。而且，几乎不可能找到一个C，使得C经过计算后也能得到B。

有了这样的神器，工作量证明就好设计了，具体是这样的：

因为参与记账的节点非常多，而每个区块只能有一个节点来负责记账并获得奖励，因此每个区块的记账权需要进行争夺。

争夺的方式，就是通过SHA256运算（哈希函数的一种），不断地尝试不同的A，来计算得到一个满足条件的结果B（B的前N位必须全是0，N可以调整）。

最先得到的那个节点，拥有记账权。因为结果是容易验证的，所以大家都能信服这个结果，最终达成一致，随即所有的矿工参与到下一个区块记账权的争夺中。

如果N的值越大，那么得到符合结果的B难度就越大，计算量可能是成指数级的增长。为了争夺更多的记账权，每个节点都会采用算力更强的设备，使每秒所能进行的计算次数更多，从而争取比别人更快得出结果。这也就引发了算力竞赛。

因为每个人都只能不停地试，没有别的办法得到结果，所以这种方式相对来说是公平的。但同时，由于算力竞赛，也导致了挖矿设备数量的不断增加，消耗的能源成本也不断提升。因此，我们也说，工作量证明是一种不环保的共识算法。

但是，由于这种公平性和为了取得算力而付出的成本，挖矿其实同时也是在创造信任，毕竟大家都是靠“老实干活”换来的记账权，如果拿来作恶就非常不划算。工作量证明机制，实际上是将现实世界的物理资源转化为了区块链世界的虚拟资源，这种转化为区块链提供了可信的基础。

现在我们知道，比特币挖矿就是在解算力难题。随着比特币越来越被人们所熟知，PoW的发展也大致经历了两个阶段。

第一个阶段是分散挖矿阶段。那个时候用个人电脑CPU就可以轻松挖出很多比特币，这也符合中本聪1CPU=1票的愿景。但是随着比特币的经济效益越来越凸显，人们开始寻求更加高效的挖矿方式，也使得PoW进入了第二阶段。

第二个阶段就是中心化矿池挖矿阶段。因为挖矿采用的SHA256算法不需要CPU来处理复杂的逻辑控制，只需要重复简单的数字运算，所以用GPU挖矿效率更高。再后来，发展出了ASIC芯片挖矿，催生了像比特大陆这样生产专业矿机的公司。由于算力竞争越来越激烈，人们开始逐渐将分散算力进行集中，然后通过投入算力所占的比例进行分红的方式享受挖矿收益。

说到这里其实不得不提一点，那就是真正理想的去中心化是不是能够实现？我个人的看法是不太可能。尽管中本聪的愿景是1CPU=1票，但随着经济效益的增加和人们逐利的天性，分散的算力一定会逐渐集中，最终形成几家大巨头分庭抗礼的局面。

所以，有人质疑EOS的21个记账节点是不是太少了，太中心化了？其实如果参考比特币和以太坊的实际算力控制分布情况，我们就知道其实并没有完美的去中心化方案。EOS在突出解决性能问题的基础上，已经做到了很好的兼顾。就算EOS的方案将记账节点设置为1万个，我相信最终这些节点的实际控制权也会逐步融合集中，达到一种无形的平衡。

PoW挖矿算法大致分为两个大类：计算困难、内存困难。这两类的区别在于对提供工作量证明的组件要求不同。

计算机的组成部分大致可分为计算单元（CPU、GPU）和存储单元（内存、硬盘）。熟悉操作系统的人都知道，一个计算机的瓶颈往往不在于计算能力，而是IO（输入输出）能力。如果IO能力不强，那么计算单元其实大部分时间都处于等待的空闲状态。

由于比特币的挖矿方式是计算困难类的，因此在PoW挖矿从CPU转向GPU后，人们对挖矿工具又进行了进一步的优化探索，开发出了ASIC芯片矿机。

ASIC（Application Specific Integrated Circuits）即专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。ASIC的特点是面向特定用户的需求，ASIC在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。

这种神器的出现，加速了PoW挖矿的中心化过程。因为这种矿机是由专门厂商生产的，产量有限，购买渠道更加狭窄，其价格也更高，提高了购买者的门槛。此外，矿机的配置、运行和维护也需要专人进行。这种印钞机级别的设备，当然会越来越集中到少数人手中，造成了算力的中心化。

为了防止这种情况再次发生，很多数字货币开发者们发明了新的挖矿算法。但只要算法是依赖于计算困难的，厂商就能设计出专门的挖矿设备来应对。有点道高一尺，魔高一丈的感觉。

以太坊和比特币不同，它采用的挖矿算法是内存困难型的。直到现在，也没有芯片厂商设计出挖矿芯片。因为算法对内存资源的需求增加，所以除了增加内存容量，没有别的好办法。所以这种没有技术壁垒的事情，厂商没有逐利的动力，也就不会花力气去研发对应的专业矿机。

PoW的优势有以下几个方面：

达成一致的原理简单，容易实现；

工业成熟度高，受众广泛；

成本会驱使矿工将币价维持在一个相对合理的水平，而不会使币价远低于成本；

增加了攻击者成本，安全性很强。

PoW的劣势有以下几个方面：

大量消耗计算资源和能源；

51%攻击问题；

自私挖矿问题；

达成共识的时间长，性能低下。

今天我们简单介绍了PoW的概念以及在比特币中的具体实现和应用，还介绍了挖矿算法的发展过程和类型，最后分析了PoW的优缺点。可以看出，PoW共识机制是一种简单粗暴的共识算法，虽然可以为公链提供稳定有效的记账功能，但是也面临严重的中心化问题和能耗问题。这也促使人们研究新的共识机制，我们后面继续介绍，欢迎