区块链算力要求

全局节点什么意思

全节点是是拥有完整区块链账本的节点，全节点需要占用内存同步所有的区块链数据，能够独立校验区块链上的所有交易并实时更新数据，主要负责区块链的交易的广播和验证。

学生的电脑普通电脑配置就够用了，三四千块钱的台式机用起来就不错

普通用户能够运行节点对于区块链的去中心化至关重要

想象一下凌晨两点多，你接到了一个紧急呼叫，来自世界另一端帮你运行矿池(质押池)的人。从大约14分钟前开始，你的池子和其他几个人从链中分离了出来，而网络仍然维持着79%的算力。根据你的节点，多数链的区块是无效的。这时出现了余额错误：区块似乎错误地将450万枚额外代币分配给了一个未知地址。

一小时后，你和其他两个同样遭遇意外的小矿池参与者、一些区块浏览器和交易所方在一个聊天室中，看见有人贴出了一条推特的链接，开头写着“宣布新的链上可持续协议开发基金”。

到了早上，相关讨论广泛散布在推特以及一个不审查内容的社区论坛上。但那时450万枚代币中的很大一部分已经在链上转换为其他资产，并且进行了数十亿美元的defi交易。79％的共识节点，以及所有主要的区块链浏览器和轻钱包的端点都遵循了这条新链。也许新的开发者基金将为某些开发提供资金，或者也许所有这些都被领先的矿池、交易所及其裙带所吞并。但是无论结果如何，该基金实际上都成为了既成事实，普通用户无法反抗。

或许还有这么一部主题电影。或许会由MolochDAO或其他组织进行资助。

这种情形会发生在你的区块链中吗？你所在区块链社区的精英，包括矿池、区块浏览器和托管节点，可能协调得很好，他们很可能都在同一个telegram频道和微信群中。如果他们真的想出于利益突然对协议规则进行修改，那么他们可能具备这种能力。以太坊区块链在十小时内完全解决了共识失败，如果是只有一个客户端实现的区块链，并且只需要将代码更改部署到几十个节点，那么可以更快地协调客户端代码的更改。能够抵御这种社会性协作攻击的唯一可靠方式是“被动防御”，而这种力量来自去一个中心化的群体：用户。

想象一下，如果用户运行区块链的验证节点(无论是直接验证还是其他间接技术)，并自动拒绝违反协议规则的区块，即使超过90%的矿工或质押者支持这些区块，故事会如何发展。

如果每个用户都运行一个验证节点，那么攻击很快就会失败：有些矿池和交易所会进行分叉，并且在整个过程中看起来很愚蠢。但是即使只有一些用户运行验证节点，攻击者也无法大获全胜。相反，攻击会导致混乱，不同用户会看到不同的区块链版本。最坏情况下，随之而来的市场恐慌和可能持续的链分叉将大幅减少攻击者的利润。对如此旷日持久的冲突进行应对的想法本身就可以阻止大多数攻击。

Hasu关于这一点的看法：

“我们要明确一件事，我们之所以能够抵御恶意的协议更改，是因为拥有用户验证区块链的文化，而不是因为PoW或PoS。”

假设你的社区有37个节点运行者，以及80000名被动监听者，对签名和区块头进行检查，那么攻击者就获胜了。如果每个人都运行节点的话，攻击者就会失败。我们不清楚针对协同攻击的启动群体免疫的确切阈值是多少，但有一点是绝对清楚的：好的节点越多，恶意的节点就越少，而且我们所需的数量肯定不止于几百几千个。

那么全节点工作的上限是什么？

为了使得有尽可能多的用户能够运行全节点，我们会将注意力集中在普通消费级硬件上。即使能够轻松购买到专用硬件，这能够降低一些全节点的门槛，但事实上对可扩展性的提升并不如我们想象的那般。

全节点处理大量交易的能力主要受限于三个方面：

算力：在保证安全的前提下，我们能划分多少CPU来运行节点？

带宽：基于当前的网络连接，一个区块能包含多少字节？

存储：我们能要求用户使用多大的空间来进行存储？此外，其读取速度应该达到多少？(即，HDD足够吗？还是说我们需要SSD？)

许多使用“简单”技术对区块链进行大幅扩容的错误看法都源自于对这些数字过于乐观的估计。我们可以依次来讨论这三个因素：

算力

错误答案：100%的CPU应该用于区块验证

正确答案：约5-10%的CPU可以用于区块验证

限制之所以这么低的四个主要原因如下：

我们需要一个安全边界来覆盖DoS攻击的可能性(攻击者利用代码弱点制造的交易需要比常规交易更长的处理时间)

节点需要在离线之后能够与区块链同步。如果我掉线一分钟，那我应该要能够在几秒钟之内完成同步

运行节点不应该很快地耗尽电池，也不应该拖慢其他应用的运行速度

节点也有其他非区块生产的工作要进行，大多数是验证以及对p2p网络中输入的交易和请求做出响应

请注意，直到最近大多数针对“为什么只需要5-10%？”这一点的解释都侧重于另一个不同的问题：因为PoW出块时间不定，验证区块需要很长时间，会增加同时创建多个区块的风险。这个问题有很多修复方法，例如BitcoinNG，或使用PoS权益证明。但这些并没有解决其他四个问题，因此它们并没有如许多人所料在可扩展性方面获得巨大进展。

并行性也不是灵丹妙药。通常，即使是看似单线程区块链的客户端也已经并行化了：签名可以由一个线程验证，而执行由其他线程完成，并且有一个单独的线程在后台处理交易池逻辑。而且所有线程的使用率越接近100%，运行节点的能源消耗就越多，针对DoS的安全系数就越低。

带宽

错误答案：如果没2-3秒都产生10MB的区块，那么大多数用户的网络都大于10MB/秒，他们当然都能处理这些区块

正确答案：或许我们能在每12秒处理1-5MB的区块，但这依然很难

如今，我们经常听到关于互联网连接可以提供多少带宽的广为传播的统计数据：100Mbps甚至1Gbps的数字很常见。但是由于以下几个原因，宣称的带宽与预期实际带宽之间存在很大差异：

“Mbps”是指“每秒数百万bits”；一个bit是一个字节的1/8，因此我们需要将宣称的bit数除以8以获得字节数。

网络运营商，就像其他公司一样，经常编造谎言。

总是有多个应用使用同一个网络连接，所以节点无法独占整个带宽。

P2P网络不可避免地会引入开销：节点通常最终会多次下载和重新上传同一个块(更不用说交易在被打包进区块之前还要通过mempool进行广播)。

当Starkware在2019年进行一项实验时，他们在交易数据gas成本降低后首次发布了500kB的区块，一些节点实际上无法处理这种大小的区块。处理大区块的能力已经并将持续得到改善。但是无论我们做什么，我们仍然无法获取以MB/秒为单位的平均带宽，说服自己我们可以接受1秒的延迟，并且有能力处理那种大小的区块。

存储

错误答案：10TB

正确答案：512GB

正如大家可能猜到的，这里的主要论点与其他地方相同：理论与实践之间的差异。理论上，我们可以在亚马逊上购买8TB固态驱动(确实需要SSD或NVME；HDD对于区块链状态存储来说太慢了)。实际上，我用来写这篇博文的笔记本电脑有512GB，如果你让人们去购买硬件，许多人就会变得懒惰(或者他们无法负担800美元的8TBSSD)并使用中心化服务。即使可以将区块链装到某个存储设备上，大量活动也可以快速地耗尽磁盘并迫使你购入新磁盘。

一群区块链协议研究员对每个人的磁盘空间进行了调查。我知道样本量很小，但仍然...

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此外，存储大小决定了新节点能够上线并开始参与网络所需的时间。现有节点必须存储的任何数据都是新节点必须下载的数据。这个初始同步时间(和带宽)也是用户能够运行节点的主要障碍。在写这篇博文时，同步一个新的geth节点花了我大约15个小时。如果以太坊的使用量增加10倍，那么同步一个新的geth节点将至少需要一周时间，而且更有可能导致节点的互联网连接受到限制。这在攻击期间更为重要，当用户之前未运行节点时对攻击做出成功响应需要用户启用新节点。

交互效应

此外，这三类成本之间存在交互效应。由于数据库在内部使用树结构来存储和检索数据，因此从数据库中获取数据的成本随着数据库大小的对数而增加。事实上，因为顶级(或前几级)可以缓存在RAM中，所以磁盘访问成本与数据库大小成正比，是RAM中缓存数据大小的倍数。

不要从字面上理解这个图，不同的数据库以不同的方式工作，通常内存中的部分只是一个单独(但很大)的层(参见leveldb中使用的LSM树)。但基本原理是一样的。

例如，如果缓存为4GB，并且我们假设数据库的每一层比上一层大4倍，那么以太坊当前的~64GB状态将需要~2次访问。但是如果状态大小增加4倍到~256GB，那么这将增加到~3次访问。因此，gas上限增加4倍实际上可以转化为区块验证时间增加约6倍。这种影响可能会更大：硬盘在已满状态下比空闲时需要花更长时间来读写。

这对以太坊来说意味着什么？

现在在以太坊区块链中，运行一个节点对许多用户来说已经是一项挑战，尽管至少使用常规硬件仍然是可能的(我写这篇文章时刚刚在我的笔记本电脑上同步了一个节点！)。因此，我们即将遭遇瓶颈。核心开发者最关心的问题是存储大小。因此，目前在解决计算和数据瓶颈方面的巨大努力，甚至对共识算法的改变，都不太可能带来gaslimit的大幅提升。即使解决了以太坊最大的DoS弱点，也只能将gaslimit提高20%。

对于存储大小的问题，唯一解决方案是无状态和状态逾期。无状态使得节点群能够在不维护永久存储的情况下进行验证。状态逾期会使最近未访问过的状态失活，用户需要手动提供证明来更新。这两条路径已经研究了很长时间，并且已经开始了关于无状态的概念验证实现。这两项改进相结合可以大大缓解这些担忧，并为显著提升gaslimit开辟空间。但即使在实施无状态和状态逾期之后，gaslimit也可能只会安全地提升约3倍，直到其他限制开始发挥作用。

另一个可能的中期解决方案使使用ZK-SNARKs来验证交易。ZK-SNARKs能够保证普通用户无需个人存储状态或是验证区块，即使他们仍然需要下载区块中的所有数据来抵御数据不可用攻击。另外，即使攻击者不能强行提交无效区块，但是如果运行一个共识节点的难度过高，依然会有协调审查攻击的风险。因此，ZK-SNARKs不能无限地提升节点能力，但是仍然能够对其进行大幅提升(或许是1-2个数量级)。一些区块链在layer1上探索该形式，以太坊则通过layer2协议(也叫ZKrollups)来获益，例如zksync,Loopring和Starknet。

分片之后又会如何？

分片从根本上解决了上述限制，因为它将区块链上包含的数据与单个节点需要处理和存储的数据解耦了。节点验证区块不是通过亲自下载和执行，而是使用先进的数学和密码学技术来间接验证区块。

因此，分片区块链可以安全地拥有非分片区块链无法实现的非常高水平的吞吐量。这确实需要大量的密码学技术来有效替代朴素完整验证，以拒绝无效区块，但这是可以做到的：该理论已经具备了基础，并且基于草案规范的概念验证已经在进行中。

以太坊计划采用二次方分片(quadraticsharding)，其中总可扩展性受到以下事实的限制：节点必须能够同时处理单个分片和信标链，而信标链必须为每个分片执行一些固定的管理工作。如果分片太大，节点就不能再处理单个分片，如果分片太多，节点就不能再处理信标链。这两个约束的乘积构成了上限。

可以想象，通过三次方分片甚至指数分片，我们可以走得更远。在这样的设计中，数据可用性采样肯定会变得更加复杂，但这是可以实现的。但以太坊并没有超越二次方，原因在于，从交易分片到交易分片的分片所获得的额外可扩展性收益实际上无法在其他风险程度可接受的前提下实现。

那么这些风险是什么呢？

最低用户数量

可以想象，只要有一个用户愿意参与，非分片区块链就可以运行。但分片区块链并非如此：单个节点无法处理整条链，因此需要足够的节点以共同处理区块链。如果每个节点可以处理50TPS，而链可以处理10000TPS，那么链至少需要200个节点才能存续。如果链在任何时候都少于200个节点，那可能会出现节点无法再保持同步，或者节点停止检测无效区块，或者还可能会发生许多其他坏事，具体取决于节点软件的设置。

在实践中，由于需要冗余(包括数据可用性采样)，安全的最低数量比简单的“链TPS除以节点TPS”高几倍，对于上面的例子，我们将其设置位1000个节点。

如果分片区块链的容量增加10倍，则最低用户数也增加10倍。现在大家可能会问：为什么我们不从较低的容量开始，当用户很多时再增加，因为这是我们的实际需要，用户数量回落再降低容量？

这里有几个问题：

区块链本身无法可靠地检测到其上有多少唯一用户，因此需要某种治理来检测和设置分片数量。对容量限制的治理很容易成为分裂和冲突的根源。

如果许多用户突然同时意外掉线怎么办？

增加启动分叉所需的最低用户数量，使得防御恶意控制更加艰难。

最低用户数为1,000，这几乎可以说是没问题的。另一方面，最低用户数设为100万，这肯定是不行。即使最低用户数为10,000也可以说开始变得有风险。因此，似乎很难证明超过几百个分片的分片区块链是合理的。

历史可检索性

用户真正珍视的区块链重要属性是永久性。当公司破产或是维护该生态系统不再产生利益时，存储在服务器上的数字资产将在10年内不再存在。而以太坊上的NFT是永久的。

是的，到2372年人们仍能够下载并查阅你的加密猫。

但是一旦区块链的容量过高，存储所有这些数据就会变得更加困难，直到某时出现巨大风险，某些历史数据最终将……没人存储。

要量化这种风险很容易。以区块链的数据容量(MB/sec)为单位，乘以~30得到每年存储的数据量(TB)。当前的分片计划的数据容量约为1.3MB/秒，因此约为40TB/年。如果增加10倍，则为400TB/年。如果我们不仅希望可以访问数据，而且是以一种便捷的方式，我们还需要元数据(例如解压缩汇总交易)，因此每年达到4PB，或十年后达到40PB。InternetArchive(互联网档案馆)使用50PB。所以这可以说是分片区块链的安全大小上限。

因此，看起来在这两个维度上，以太坊分片设计实际上已经非常接近合理的最大安全值。常数可以增加一点，但不能增加太多。

结语

尝试扩容区块链的方法有两种：基础的技术改进和简单地提升参数。首先，提升参数听起来很有吸引力：如果您是在餐纸上进行数学运算，这就很容易让自己相信消费级笔记本电脑每秒可以处理数千笔交易，不需要ZK-SNARK、rollups或分片。不幸的是，有很多微妙的理由可以解释为什么这种方法是有根本缺陷的。

运行区块链节点的计算机无法使用100％的CPU来验证区块链；他们需要很大的安全边际来抵抗意外的DoS攻击，他们需要备用容量来执行诸如在内存池中处理交易之类的任务，并且用户不希望在计算机上运行节点的时候无法同时用于任何其他应用。带宽也会受限：10MB/s的连接并不意味着每秒可以处理10MB的区块！也许每12秒才能处理1-5MB的块。存储也是一样，提高运行节点的硬件要求并且限制专门的节点运行者并不是解决方案。对于去中心化的区块链而言，普通用户能够运行节点并形成一种文化，即运行节点是一种普遍行为，这一点至关重要。

简单来说，区块链是一个提供了拜占庭容错、并保证了最终一致性的分布式数据库；从数据结构上看，它是基于时间序列的链式数据块结构；从节点拓扑上看，它所有的节点互为冗余备份；从操作上看，它提供了基于密码学的公私钥管理体系来管理账户。

或许以上概念过于抽象，我来举个例子，你就好理解了。

你可以想象有100台计算机分布在世界各地，这100台机器之间的网络是广域网，并且，这100台机器的拥有者互相不信任。

那么，我们采用什么样的算法（共识机制）才能够为它提供一个可信任的环境，并且使得：

节点之间的数据交换过程不可篡改，并且已生成的历史记录不可被篡改；

每个节点的数据会同步到最新数据，并且会验证最新数据的有效性；

基于少数服从多数的原则，整体节点维护的数据可以客观反映交换历史。

区块链就是为了解决上述问题而产生的技术方案。

二、区块链的核心技术组成

无论是公链还是联盟链，至少需要四个模块组成：P2P网络协议、分布式一致性算法（共识机制）、加密签名算法、账户与存储模型。

1、P2P网络协议

P2P网络协议是所有区块链的最底层模块，负责交易数据的网络传输和广播、节点发现和维护。

通常我们所用的都是比特币P2P网络协议模块，它遵循一定的交互原则。比如：初次连接到其他节点会被要求按照握手协议来确认状态，在握手之后开始请求Peer节点的地址数据以及区块数据。

这套P2P交互协议也具有自己的指令集合，指令体现在在消息头（MessageHeader)的命令（command）域中，这些命令为上层提供了节点发现、节点获取、区块头获取、区块获取等功能，这些功能都是非常底层、非常基础的功能。如果你想要深入了解，可以参考比特币开发者指南中的PeerDiscovery的章节。

2、分布式一致性算法

在经典分布式计算领域，我们有Raft和Paxos算法家族代表的非拜占庭容错算法，以及具有拜占庭容错特性的PBFT共识算法。

如果从技术演化的角度来看，我们可以得出一个图，其中，区块链技术把原来的分布式算法进行了经济学上的拓展。

在图中我们可以看到，计算机应用在最开始多为单点应用，高可用方便采用的是冷灾备，后来发展到异地多活，这些异地多活可能采用的是负载均衡和路由技术，随着分布式系统技术的发展，我们过渡到了Paxos和Raft为主的分布式系统。

而在区块链领域，多采用PoW工作量证明算法、PoS权益证明算法，以及DPoS代理权益证明算法，以上三种是业界主流的共识算法，这些算法与经典分布式一致性算法不同的是，它们融入了经济学博弈的概念，下面我分别简单介绍这三种共识算法。

PoW：通常是指在给定的约束下，求解一个特定难度的数学问题，谁解的速度快，谁就能获得记账权（出块）权利。这个求解过程往往会转换成计算问题，所以在比拼速度的情况下，也就变成了谁的计算方法更优，以及谁的设备性能更好。

PoS：这是一种股权证明机制，它的基本概念是你产生区块的难度应该与你在网络里所占的股权（所有权占比）成比例，它实现的核心思路是：使用你所锁定代币的币龄（CoinAge）以及一个小的工作量证明，去计算一个目标值，当满足目标值时，你将可能获取记账权。

DPoS：简单来理解就是将PoS共识算法中的记账者转换为指定节点数组成的小圈子，而不是所有人都可以参与记账。这个圈子可能是21个节点，也有可能是101个节点，这一点取决于设计，只有这个圈子中的节点才能获得记账权。这将会极大地提高系统的吞吐量，因为更少的节点也就意味着网络和节点的可控。

3、加密签名算法

在区块链领域，应用得最多的是哈希算法。哈希算法具有抗碰撞性、原像不可逆、难题友好性等特征。

其中，难题友好性正是众多PoW币种赖以存在的基础，在比特币中，SHA256算法被用作工作量证明的计算方法，也就是我们所说的挖矿算法。

而在莱特币身上，我们也会看到Scrypt算法，该算法与SHA256不同的是，需要大内存支持。而在其他一些币种身上，我们也能看到基于SHA3算法的挖矿算法。以太坊使用了Dagger-Hashimoto算法的改良版本，并命名为Ethash，这是一个IO难解性的算法。

当然，除了挖矿算法，我们还会使用到RIPEMD160算法，主要用于生成地址，众多的比特币衍生代码中，绝大部分都采用了比特币的地址设计。

除了地址，我们还会使用到最核心的，也是区块链Token系统的基石：公私钥密码算法。

在比特币大类的代码中，基本上使用的都是ECDSA。ECDSA是ECC与DSA的结合，整个签名过程与DSA类似，所不一样的是签名中采取的算法为ECC（椭圆曲线函数）。

从技术上看，我们先从生成私钥开始，其次从私钥生成公钥，最后从公钥生成地址，以上每一步都是不可逆过程，也就是说无法从地址推导出公钥，从公钥推导到私钥。

4、账户与交易模型

从一开始的定义我们知道，仅从技术角度可以认为区块链是一种分布式数据库，那么，多数区块链到底使用了什么类型的数

④ 什么人在区块链挣钱(区块链需要什么人才)

区块链技术的赚钱方式有下面四种：

1、硬件和基础设施，典型的有矿机生产、经销链条，在这你可以通过买矿机、挖矿赚币挣钱。

2、区块链底层平台和通用技术，如以太坊等公链、隐私协议Nucypher等，在这你可以通过投资其代币、构建链上应用、为用户提供服务赚钱。

3、各类垂直应用，如基于区块链的供应链溯源及金融，版权确认及交易等，你可以使用这些应用或是投资其代币赚钱。

4、服务设施，如数字资产交易所和钱包，媒体产品等，你可以自己做一个交易所赚钱。

(4)区块链算力要求扩展阅读：

区块链的类型

1、公有区块链

公有区块链（PublicBlockChains)是指：世界上任何个体或者团体都可以发送交易，且交易能够获得该区块链的有效确认，任何人都可以参与其共识过程。

公有区块链是最早的区块链，也是应用最广泛的区块链，各大bitcoins系列的虚拟数字货币均基于公有区块链，世界上有且仅有一条该币种对应的区块链。

2、联合（行业）区块链

行业区块链（ConsortiumBlockChains)：由某个群体内部指定多个预选的节点为记账人，每个块的生成由所有的预选节点共同决定（预选节点参与共识过程），其他接入节点可以参与交易。

3、私有区块链

私有区块链（PrivateBlockChains)：仅仅使用区块链的总账技术进行记账，可以是一个公司，也可以是个人，独享该区块链的写入权限，本链与其他的分布式存储方案没有太大区别。

⑤ 区块链为什么要学数学,区块链需要数学基础吗

所谓“共识机制”，是通过特殊节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认；对一笔交易，如果利益不相干的若干个节点能够达成共识，我们就可以认为全网对此也能够达成共识。再通俗一点来讲，如果中国一名微博大V、美国一名虚拟币玩家、一名非洲留学生和一名欧洲旅行者互不相识，但他们都一致认为你是个好人，那么基本上就可以断定你这人还不坏。

要想整个区块链网络节点维持一份相同的数据，同时保证每个参与者的公平性，整个体系的所有参与者必须要有统一的协议，也就是我们这里要将的共识算法。比特币所有的节点都遵循统一的协议规范。协议规范（共识算法）由相关的共识规则组成，这些规则可以分为两个大的核心：工作量证明与最长链机制。所有规则（共识）的最终体现就是比特币的最长链。共识算法的目的就是保证比特币不停地在最长链条上运转，从而保证整个记账系统的一致性和可靠性。

区块链中的用户进行交易时不需要考虑对方的信用、不需要信任对方，也无需一个可信的中介机构或中央机构，只需要依据区块链协议即可实现交易。这种不需要可信第三方中介就可以顺利交易的前提是区块链的共识机制，即在互不了解、信任的市场环境中，参与交易的各节点出于对自身利益考虑，没有任何违规作弊的动机、行为，因此各节点会主动自觉遵守预先设定的规则，来判断每一笔交易的真实性和可靠性，并将检验通过的记录写入到区块链中。各节点的利益各不相同，逻辑上将它们没有合谋欺骗作弊的动机产生，而当网络中有的节点拥有公共信誉时，这一点尤为明显。区块链技术运用基于数学原理的共识算法，在节点之间建立“信任”网络，利用技术手段从而实现一种创新式的信用网络。

目前区款连行业内主流的共识算法机制包含：工作量证明机制、权益证明机制、股份授权证明机制和Pool验证池这四大类。

工作量证明机制即对于工作量的证明，是生成要加入到区块链中的一笔新的交易信息(即新区块)时必须满足的要求。在基于工作量证明机制构建的区块链网络中，节点通过计算随机哈希散列的数值解争夺记账权，求得正确的数值解以生成区块的能力是节点算力的具体表现。工作量证明机制具有完全去中心化的优点，在以工作量证明机制为共识的区块链中，节点可以自由进出。大家所熟知的比特币网络就应用工作量证明机制来生产新的货币。然而，由于工作量证明机制在比特币网络中的应用已经吸引了全球计算机大部分的算力，其他想尝试使用该机制的区块链应用很难获得同样规模的算力来维持自身的安全。同时，基于工作量证明机制的挖矿行为还造成了大量的资源浪费，达成共识所需要的周期也较长，因此该机制并不适合商业应用。

2012年，化名SunnyKing的网友推出了Peercoin，该加密电子货币采用工作量证明机制发行新币，采用权益证明机制维护网络安全，这是权益证明机制在加密电子货币中的首次应用。与要求证明人执行一定量的计算工作不同，权益证明要求证明人提供一定数量加密货币的所有权即可。权益证明机制的运作方式是，当创造一个新区块时，矿工需要创建一个“币权”交易，交易会按照预先设定的比例把一些币发送给矿工本身。权益证明机制根据每个节点拥有代币的比例和时间，依据算法等比例地降低节点的挖矿难度，从而加快了寻找随机数的速度。这种共识机制可以缩短达成共识所需的时间，但本质上仍然需要网络中的节点进行挖矿运算。因此，PoS机制并没有从根本上解决PoW机制难以应用于商业领域的问题。

股份授权证明机制是一种新的保障网络安全的共识机制。它在尝试解决传统的PoW机制和PoS机制问题的同时，还能通过实施科技式的民主抵消中心化所带来的负面效应。

股份授权证明机制与董事会投票类似，该机制拥有一个内置的实时股权人投票系统，就像系统随时都在召开一个永不散场的股东大会，所有股东都在这里投票决定公司决策。基于DPoS机制建立的区块链的去中心化依赖于一定数量的代表，而非全体用户。在这样的区块链中，全体节点投票选举出一定数量的节点代表，由他们来代理全体节点确认区块、维持系统有序运行。同时，区块链中的全体节点具有随时罢免和任命代表的权力。如果必要，全体节点可以通过投票让现任节点代表失去代表资格，重新选举新的代表，实现实时的民主。

股份授权证明机制可以大大缩小参与验证和记账节点的数量，从而达到秒级的共识验证。然而，该共识机制仍然不能完美解决区块链在商业中的应用问题，因为该共识机制无法摆脱对于代币的依赖，而在很多商业应用中并不需要代币的存在。

Pool验证池基于传统的分布式一致性技术建立，并辅之以数据验证机制，是目前区块链中广泛使用的一种共识机制。

Pool验证池不需要依赖代币就可以工作，在成熟的分布式一致性算法(Pasox、Raft)基础之上，可以实现秒级共识验证，更适合有多方参与的多中心商业模式。不过，Pool验证池也存在一些不足，例如该共识机制能够实现的分布式程度不如PoW机制等

这里主要讲解区块链工作量证明机制的一些算法原理以及比特币网络是如何证明自己的工作量的，希望大家能够对共识算法有一个基本的认识。

工作量证明系统的主要特征是客户端要做一定难度的工作来得到一个结果，验证方则很容易通过结果来检查客户端是不是做了相应的工作。这种方案的一个核心特征是不对称性：工作对于请求方是适中中的，对于验证方是易于验证的。它与验证码不同，验证码是易于被人类解决而不是易于被计算机解决。

下图所示的为工作量证明流程。

举个例子，给个一个基本的字符创“hello，world！”，我们给出的工作量要求是，可以在这个字符创后面添加一个叫做nonce（随机数）的整数值，对变更后（添加nonce）的字符创进行SHA-256运算，如果得到的结果（一十六进制的形式表示）以“0000”开头的，则验证通过。为了达到这个工作量证明的目标，需要不停地递增nonce值，对得到的字符创进行SHA-256哈希运算。按照这个规则，需要经过4251次运算，才能找到前导为4个0的哈希散列。

通过这个示例我们对工作量证明机制有了一个初步的理解。有人或许认为如果工作量证明只是这样一个过程，那是不是只要记住nonce为4521使计算能通过验证就行了，当然不是了，这只是一个例子。

下面我们将输入简单的变更为”Hello,World!+整数值”，整数值取1~1000，也就是说将输入变成一个1~1000的数组：Hello,World!1；Hello,World!2；...；Hello,World!1000。然后对数组中的每一个输入依次进行上面的工作量证明—找到前导为4个0的哈希散列。

由于哈希值伪随机的特性，根据概率论的相关知识容易计算出，预计要进行2的16次方次数的尝试，才能得到前导为4个0的哈希散列。而统计一下刚刚进行的1000次计算的实际结果会发现，进行计算的平均次数为66958次，十分接近2的16次方（65536）。在这个例子中，数学期望的计算次数实际就是要求的“工作量”，重复进行多次的工作量证明会是一个符合统计学规律的概率事件。

统计输入的字符创与得到对应目标结果实际使用的计算次数如下：

对于比特币网络中的任何节点，如果想生成一个新的区块加入到区块链中，则必须解决出比特币网络出的这道谜题。这道题的关键要素是工作量证明函数、区块及难度值。工作量证明函数是这道题的计算方法，区块是这道题的输入数据，难度值决定了解这道题的所需要的计算量。

比特币网络中使用的工作量证明函数正是上文提及的SHA-256。区块其实就是在工作量证明环节产生的。旷工通过不停地构造区块数据，检验每次计算出的结果是否满足要求的工作量，从而判断该区块是不是符合网络难度。区块头即比特币工作量证明函数的输入数据。

难度值是矿工们挖掘的重要参考指标，它决定了旷工需要经过多少次哈希运算才能产生一个合法的区块。比特币网络大约每10分钟生成一个区块，如果在不同的全网算力条件下，新区块的产生基本都保持这个速度，难度值必须根据全网算力的变化进行调整。总的原则即为无论挖矿能力如何，使得网络始终保持10分钟产生一个新区块。

难度值的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每隔2016个区块，所有节点都会按照统一的格式自动调整难度值，这个公式是由最新产生的2016个区块的花费时长与期望时长（按每10分钟产生一个取款，则期望时长为20160分钟）比较得出来的，根据实际时长一期望时长的比值进行调整。也就是说，如果区块产生的速度比10分钟快，则增加难度值；反正，则降低难度值。用公式来表达如下：

新难度值=旧难度值*（20160分钟/过去2016个区块花费时长）。

工作量证明需要有一个目标值。比特币工作量证明的目标值（Target）的计算公式如下：

目标值=最大目标值/难度值，其中最大目标值为一个恒定值

目标值的大小与难度值成反比，比特币工作量证明的达成就是矿中计算出来的区块哈希值必须小于目标值。

我们也可以将比特币工作量的过程简单的理解成，通过不停变更区块头（即尝试不同nonce值）并将其作为输入，进行SHA-256哈希运算，找出一个有特定格式哈希值的过程（即要求有一定数量的前导0），而要求的前导0个数越多，难度越大。

可以把比特币将这道工作量证明谜题的步骤大致归纳如下：

该过程可以用下图表示：

比特币的工作量证明，就是我们俗称“挖矿”所做的主要工作。理解工作量证明机制，将为我们进一步理解比特币区块链的共识机制奠定基础。