工作量证明(PoW)

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工作量证明(PoW)

定义

工作量证明(Proof-of-Work)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。

现时,此技术成为了加密货币的主流共识机制之一,比特币和以太坊都是基于PoW的共识机制。

技术原理

工作量证明最常用的技术原理是散列函数。由于输入散列函数h()的任意值n,会对应到一个h(n)结果,而n只要变动一个比特,就会引起雪崩效应,所以几乎无法从h(n)反推回n,因此借由指定查找h(n)的特征,让用户进行大量的穷举运算,就可以达成工作量证明。

我们若指定h(n)的16进制值的前四值,求n,这样统计上平均约要运行216次h(n)散列运算,才会得到答案,但验算只要进行一次就可以了。如果想要增加难度,那就增加指定的位数即可。

以SHA256函数举例:假设我们要处理数据Hello World,并找出h(n)前四值为0000的n,如果从Hello World0开始加上一个十进制数ASCII进行穷举猜测,到Hello World107105时才会得到匹配条件的h(n):

0000BFE6AF4232F78B0C8EBA37A6BA6C17B9B8671473B0B82305880BE077EDD9

验算时只要将Hello World107105代入SHA256函数一次即可。

加密货币的应用

由于加密货币多由区块链所建构,而区块链本来就要依赖散列函数来做为数据正确无误的担保,所以在加密货币上使用工作量证明,是非常简明的设计。由分散在各处的计算机,竞赛谁能最早找出,搭配原本要打包的数据的穷举猜测值(nonce),谁就等同获得该区块的打包权(记账权)。

此猜测值被找出后,与数据、散列值一起打包成块后广播,经多数节点确认与承认,打包者就能获得打包该区块所提供的奖励。一般采用工作量证明的加密货币,好比比特币,会设置成随着参与竞赛的算力增减,而调整找寻猜测值的难度,以维持合理的运作速度。

优点

  • 架构简明扼要、有效可靠。
  • 完全去中心化,节点自由进出,避免了建立和维护中心化信用机构的成本。
  • 由于要获得多数节点承认,那攻击者必须投入超过总体一半的运算量(51%攻击),才能保证篡改结果,使得攻击成功的成本变得非常高昂,难以实现。

缺点

  • 目前比特币挖矿造成大量的资源浪费,投入在一种加密货币上的能源,可能会超过一个小型国家的总使用量。
  • 挖矿的激励机制造成矿池算力的高度集中,背离了当初去中心化设计的初衷。
  • 更大的问题是PoW机制的共识达成的周期较长,每秒只能最多做7笔交易,不适合商业应用。
  • 后期开发的加密货币有针对抗ASIC的算法设计,例如以太坊采用的有向无环图(DAG)技术。
作者:| 2018-03-27T08:56:30+00:00 3月 27th, 2018|区块链基本技术|暂无评论