PoW 是什麼？了解比特幣的基本安全機制

Question

## 立即了解Proof of Work (PoW) 是一種共識算法，旨在防止數字貨幣網絡中的雙重支付問題。它是比特幣及其他多種山寨幣的安全基礎。PoW 在挖礦過程中扮演關鍵角色，礦工驗證交易並將新區塊加入區塊鏈，同時產生新的加密貨幣單位。為了維持網絡的去中心化和安全性，PoW 要求參與者投入大量的計算資源和電力。## PoW 是什麼？為何重要？Proof of Work 是一種為解決數字支付環境中雙重支付問題而開發的共識機制。簡單來說，它是一種讓各方在不互相信任的情況下，仍能就金融數據庫的狀態達成一致的方法。比特幣和許多其他加密貨幣選擇 PoW 來保護區塊鏈網絡的完整性。當你加入一個 PoW 網絡時，你實際上是在參與一個不需要信任任何中心化機構的系統。Satoshi Nakamoto 在 2008 年的比特幣白皮書中首次提出了 PoW，但這項技術的起源遠早於此。Adam Back 的 HashCash 是最早用於抗垃圾郵件的 Proof of Work 應用，它要求發送電子郵件的人執行一個計算，以證明他們不是大量垃圾郵件系統。對於合法用戶來說，這個計算成本並不高；但對於想要發送數百萬封垃圾郵件的垃圾郵件發送者來說，成本就變得非常高。## 雙重支付問題：數字貨幣的擔憂雙重支付是指同一單位的貨幣被多次使用的現象。這個術語幾乎只在數字貨幣世界中存在，因為在實體現金中，這幾乎不可能發生。想像你用現金購買東西。你把錢交給店員，他會將錢放入收銀機。現在你就不能再拿出那張鈔票，用於其他地方。但在數字世界中，所有的貨幣都是數據。你可以輕鬆複製一個文件並發送給多個人。問題是，如果沒有控制機制，你可能會將同一個數字貨幣單位發送給三個不同的人——這是傳統現金系統永遠不會允許的。一個無法阻止雙重支付的數字支付系統，最終都會崩潰。解決方案就是像 Proof of Work 這樣的共識機制。## 為何 PoW 對區塊鏈必不可少？在區塊鏈網絡中，每個人都在不斷發送交易。然而，這些交易不會立即被視為有效。只有經過驗證並加入區塊鏈後，它們才正式生效。想像一群朋友用一本簿子記錄比特幣交易。每當有人想轉帳，他們會在簿子上記錄：_"Alice 轉給 Bob 5 BTC；Bob 轉給 Carol 2 BTC"_但為了確保沒有人花掉自己沒有的錢，你需要追蹤每筆資金的來源。因此，當 Bob 轉給 Carol 2 BTC 時，實際的記錄會是：_"Bob 轉給 Carol 2 BTC，這筆錢來自之前與 Alice 的交易"_現在，如果 Bob 試圖用同樣的 2 BTC 進行另一筆交易，大家會立即發現這筆錢已經被記錄過，交易會被拒絕。這種方法在小型群體中運作良好，大家彼此熟悉且能輕鬆達成共識，誰可以添加交易到簿子上。但如果群體有 10,000 人，甚至一百萬人呢？沒有人願意只信任一個陌生人來管理所有人的記錄。這時，Proof of Work 出現了。PoW 允許任何加入網絡的人都能更新區塊鏈，而不需要信任任何中央機構。通過結合密碼學和博弈論，它確保用戶只能花費自己真正擁有的資產。## Proof of Work 如何運作？而不是將每筆交易逐一加入簿子，區塊鏈網絡會將它們打包成區塊。當網絡收到交易時，參與者會將這些交易放入一個候選區塊中。只有當候選區塊被確認並加入區塊鏈時，交易才算有效。驗證交易和添加新區塊的過程稱為挖礦。挖礦既困難又昂貴，但也帶來許多好處。產生有效區塊的礦工會獲得由協議新發行的加密貨幣作為獎勵，以及交易手續費。### 挖礦流程詳解Proof of Work 要求礦工 (創建區塊)，必須投入電力和高性能電腦資源，對區塊候選數據進行 **哈希**，直到找到符合條件的解答。對區塊數據進行哈希，意味著將數據傳入哈希函數，產生一個哈希值。這個哈希值就像數據的“指紋”——每個區塊的哈希值都是唯一的，任何微小的變化都會產生截然不同的哈希。換句話說，礦工需要：- 驗證並收集待處理的交易- 將它們組成一個候選區塊- 將區塊數據傳入哈希函數，產生哈希值如果找到一個符合條件的哈希值，礦工就會將其廣播到網絡，將區塊加入區塊鏈，並獲得獎勵。### 區塊驗證當礦工將候選區塊和哈希值發佈到網絡時，其他參與者會重複哈希過程來驗證其有效性。雖然找到符合條件的哈希值可能需要大量嘗試，但驗證卻非常簡單。只需將區塊數據傳入哈希函數，檢查輸出是否與提供的哈希值匹配。這就是 Proof of Work 的特點：產生一個非常困難的證明 (yêu cầu大量資源)，但驗證這個證明卻非常容易。### Nonce：猜測過程的關鍵礦工不能只簡單地反覆用相同數據哈希，因為每次都會得到相同結果。因此，他們需要在每次嘗試中加入一個可變的數字。這個數字就是 **nonce**——一個礦工會在每次嘗試中改變的數值。通過改變 nonce，可以產生不同的輸入，從而得到不同的哈希值。總結來說，挖礦是一個試錯過程：礦工從區塊鏈數據開始，加入一個 nonce，然後哈希所有數據，檢查結果是否符合協議設定的條件。不符合就改變 nonce，重複嘗試。### 難度可調整網絡中的哈希速率越高，找到符合條件的哈希值就越困難。這是有意設計的，以確保區塊不會過快被找到。嘗試猜測數百萬甚至數十億個哈希值會消耗大量計算資源和電力。但如果你找到一個符合條件的哈希值，協議會獎勵你加密貨幣。### 安全層面：公開密碼學那如果有人試圖作弊怎麼辦？如何阻止礦工將大量作弊交易加入區塊？答案在於 **公開密鑰加密**。每筆交易都由發送者用私鑰簽名。網絡上的任何人都可以用公開密鑰驗證簽名，確定交易的有效性。此外，網絡會檢查發送者是否真正擁有他們試圖花費的資產。如果你試圖花費超過自己擁有的金額，交易會被拒絕。任何包含無效交易的區塊都會被網絡自動拒絕。### 經濟學：誠信的價值Proof of Work 最大的優點是：**作弊成本高昂，但誠實行為能帶來利潤**。如果你試圖作弊，會浪費自己的資源，卻得不到任何獎勵。因此，理性的礦工都會選擇誠實，以最大化自己的利潤。這個機制使誠實成為最佳策略，而不需要信任任何人。## Proof of Work 與 Proof of Stake：兩種不同的方式除了 PoW，還有許多其他的共識算法，但其中最常見的之一是 **Proof of Stake (PoS)**。這個概念首次出現在 2011 年，並已在以太坊及其他項目中實現。### PoS 的運作方式在 Proof of Stake 系統中，沒有傳統的挖礦行為。取而代之的是，稱為 **驗證者 (validator)** 的參與者會被隨機選中，提議新的區塊。如果區塊有效，他們會獲得交易手續費作為獎勵。但並非任何人都能成為驗證者。參與者必須鎖定一定數量的原生幣作為 **抵押 (stake)**。這個抵押就像擔保金——就像被告必須繳納保證金以確保不逃跑，驗證者鎖定資金以防止作弊。如果他們行為不誠實，抵押金 (或部分)會被沒收。這創造了一個經濟激勵，促使誠實行為，類似 PoW，但用不同的機制。### 優缺點**PoS 的優點：**- 能源消耗明顯低於 PoW，因為不需要全天候運行高性能礦機- 更加環境友善**PoS 的缺點：**- 運行歷史較短，尚未像 PoW 一樣經過長時間考驗- 雖然有人認為資源浪費，但 PoW 已證明其在超過十年的時間內的有效性- 自推出以來，比特幣的 PoW 已經保護了價值數萬億美元的交易要確定 PoS 能與 PoW 的安全性競爭，這項技術還需要在更長時間內經過充分測試。## 結論Proof of Work 是解決數字貨幣中雙重支付問題的最早且經過驗證的方案。比特幣證明，我們完全不需要中心化的實體來防止作弊。通過密碼學、哈希函數和博弈論，完全去中心化的網絡參與者可以在不互相信任的情況下，達成對金融數據庫狀態的共識。到目前為止，PoW 仍是最安全、最可靠的共識機制。