區塊鏈工作量證明名詞解釋

『壹』 FileCoin: 有用的工作量證明

有用的工作量證明（Proof of Useful Work）是由著名的去中心化存儲項目 FileCoin 在它的白皮書里提出來的一個概念。工作量證明，Proof of Work，POW 是實現區塊鏈的一個重要共識方式，FileCoin 要實現一個基於區塊鏈的存儲平台。所以它也要做共識，它選擇的就是工作量證明共識。

首先我們來解釋一下常規的工作量證明。它是區塊鏈實現共識的一種方式。是比特幣採用的方式，所以，工作量證明就是俗稱的「挖礦」。比特幣做為一個去中心化的點對點交易系統，要在不同的節點上維護一個共同的完全相同的帳本，來記錄所有的交易，而且確保交易不會重復，不會一筆錢多花，就需要一個維護這個賬本一致性的規則。大家一起遵守這個規則，就是共識。區塊鏈常用的方法是，把這個賬本分成很多頁，每個頁就是一個區塊。每個區塊由一個節點來記賬，然後分發給其他節點復制，這樣所有節點上的賬本都是一樣的。但是每個區塊都由哪個節點來記錄，就需要一個大家都能遵守的規則。比特幣採用的方法，是讓所有的節點做一道簡單的數學題，題目很簡單，但是計算量很大，一般要10分鍾左右才能做出答案來。得到答案雖然很費時間，但是驗證答案是否正確很容易。然後所有的節點同時做題，第一個做出來的節點，就得到下一個區塊的記賬權。因為每個區塊都只有唯一一個最早做出題的節點，所以，每個區塊的記賬權是唯一的，而且也是很容易被其他節點驗證的。節點一旦驗證到其他節點得到了區塊記賬權，就必須復制區塊，加到本地區塊鏈中，同時開始下一個區塊記賬權的競爭。通過這種方式，比特幣就能確保所有節點的區塊鏈是一致的。

節點通過大量計算競爭區塊記賬權的的過程，就是工作量證明。所以，工作量證明系統（或者說協議、函數），是一種應對拒絕服務攻擊和其他服務濫用的經濟對策。它要求發起者進行一定量的運算，也就意味著需要消耗計算機一定的時間。這個概念由 Cynthia Dwork 和 Moni Naor 1993 年在學術論文中首次提出。而工作量證明（POW）這個名詞，則是在 1999 年 Markus Jakobsson 和 Ari Juels 的文章中才被真正提出。

實現區塊鏈共識的方式還有很多，如POS，DPOS，POA，PBFT等等，但是工作量證明是唯一被時間驗證過（11年）的在公鏈上運行的區塊鏈共識機制。

工作量證明存在一個什麼樣的問題呢？還是用比特幣為例。比特幣節點為了獲取出塊權做得那個數學題，叫哈希運算。計算量非常大，每一台參與比特幣挖礦的礦機都要時刻進行這個計算，耗費大量的電力。這個計算不像其他的如大數據處理的計算，可以產生一些價值，它的唯一目的，就是競爭出一個節點，成為下一區塊的出塊者。目前比特幣每年消耗電量約25.5億瓦，這相當於全球電量的0.5%，是愛爾蘭一年的耗電量。反對POW的人紛紛指責挖礦將電力資源浪費在虛無縹緲的數字貨幣上，還稱之為自由主義的「泔水」。

但是，認為POW是浪費的電的人不知道，正是能源和算力打造了比特幣安全不可攻破的體系。

一張100元的現金不只是你我認為他值100，而是整個社會群體都認為他值100，價值就是來自於共識。比特幣是社區行為，來自不同國家的人聚集到社區，用互聯網來建立秩序，它的意義也是來自於群體共識，只要大家都相信比特幣有價值，只共識存在，那麼他就有價值，和法幣一模一樣。所以產生價值認同並不一定需要國家來驅動，比特幣改革了一種傳遞信任的載體和媒介，千百年來，人類社會通過多少流血戰爭建立的政權和共識，現在兵不血刃，只是耗費些電力就實現，豈不是更先進。

總結而言，要想設計一個去中心化而且安全的數字貨幣，能源和算力是必要的代價。工作量證明是以去中心化形式構建安全產權認證系統的唯一方案。所以認為POW是浪費的電的人不知道，正是能源和算力打造了比特幣安全不可攻破的體系。現在比特幣全網算力已經達到一個非常恐怖的地步，任何人想要發動51%算力攻擊已經是不可能的事情了，POW演算法使比特幣系統牢不可破。

為締造價值而產生的消耗不叫浪費。

但是，如此多的算力，是否可以用來創造更多的價值呢？用 FileCoin 的話說，工作量證明，還有沒有其他用途呢？

FileCoin 是分布式存儲行業的明星項目。他的開發團隊 Protocol Lab 就是開發 IPFS 協議的團隊，以至於很多人都分不清FileCoin 和 IPFS 的區別。可以說是2017年 FileCoin 的1CO，把這個行業推向巔峰，也引出了一系列的同類型項目。本文無意於贊譽或者貶低這個項目，只想結合自己從事這個行業的經驗，表達一些自己的觀點，盡量做到客觀公正。希望對從事這個行業的人有一些啟發。

FileCoin 在白皮書中提出要實現一個有用的工作量證明，實際上就是認可了，要打造一個安全不可攻破的區塊鏈，就必須消耗工作量。但是，他們不希望為這個工作量做出的計算完全被浪費，所以想把這個工作量利用起來。所以，他們想到的方法是，在工作量證明裡加入存儲空間的使用率。這樣，所有的節點為了形成共識，就必須提供存儲空間來存文件。這個存儲空間就可以存用戶數據，就是有用的。

那我們來看一下FileCoin是怎樣實現這種有用的工作量證明共識的。

Filecoin採用的共識機制並不是簡單的工作量證明，而是一種叫做預期共識（Expected Consensus，簡稱 EC）的機制。和其他主流共識機制目標一樣，讓礦工爭奪某一個高度唯一的出塊權而獲得獎勵。這個獲得出塊權的礦工叫做 Leader。在每一輪的出塊爭奪中，為了保證賬本的可靠性，都有一個唯一的 leader 來進行記賬。

也就是說，共識的核心就是選擇誰來當 Leader。選 Leader 的方式一般有兩種，互動式或者非互動式。互動式是要礦工之間互相投票的。比如 PBFT 就是互動式的，幾個參與選舉的人通過互發信息，得到多數票（ 超過 2/3 ）的人就是 Leader。預期共識採用了非互動式的方式來選舉 Leader。參與的各方根本不給彼此發消息，而是每個節點各自獨立私下進行運算。最後某個節點說，我贏得了選舉，然後提供一個證明，其他人可以很容易就驗證，他確實贏得了選舉。這個驗證方法就是零知識證明。

預期共識機制會為區塊鏈網路預設一個出塊的期望值。比如每1個紀元（epoch）生成1個區塊（block），但也有一個紀元可能出現空塊或多個區塊的情況。所以在 Filecoin 中，每個高度不是一個區塊，而是一個區塊集，叫做 TipSet，這個 TipSet 中可能包含了多個區塊。所以實際上 Filecoin 是 TipSet 鏈。預期共識無法保證每一輪只選舉出一個 Leader，所以會出現一輪中有多個 Leader 的可能，這樣鏈式結構就變成了DAG的網狀結構。所以 FileCoin 還會對 block 賦權重，實現有效收斂。

FileCoin 採用的 EC 共識有一個好處。對於傳統的 POS 共識機制來說，有一個重大問題就是無法控制分叉。也就是說，由於挖礦成本低，參與者可以同時挖多個鏈獲取利益。而預期共識對這一點做了設計，那就是通過權重和抵押機制來促使礦工選擇一條最好的鏈，對同時挖多個鏈的礦工進行懲罰，這樣可以非常快速地促進收斂。這說明 POW 和 POS 共同使用會是一種好的方式。

每一個礦工獲得出塊的可能與其當前有效存儲量佔全網總存儲量正相關。這種期望共識機制其實是更像是 POS 權益證明，只是它將POS里邊的權益（Staking）換成了有效存儲佔比。但是礦工的有效存儲從何而來呢？是通過存儲用戶數據得來。如何證明礦工存儲了用戶的數據，FileCoin 創造出一個新的證明機制叫 POST 時空復制證明。這個 POST 就是 FileCoin 的工作量了。把耗電的算力換成存儲有用數據的存儲空間，無意義的軍備競爭變成了存儲服務市場競爭。這確實是 FileCoin 的進步之處。只不過，為了成功的出塊，礦工通過預期共識被選為出塊節點後，必須在一個塊的時間里（現在是45秒）做個 POST 證明，成功提交，才能出塊。否則就失去機會。所以，為了確保礦工能在指定時間內出塊，最終官方還是決定要使用 GPU。雖然這 GPU 不是像工作量證明那樣一直不停的工作，但是在整個實現共識的過程中還是出現了跟有用的工作量證明思想相違背的耗能計算。

還有，談到預期共識的時候，我們說到每一個紀元出塊都不是一個塊，而是一組塊，那麼紀元這個概念就很重要了。怎麼控制紀元呢？每個礦工在參與選舉前，需要先生成一個 Ticket，這個 Ticket 實際上是一個隨機數，他需要走一個 VDF 和 VRF 的流程，這個 VDF 全稱 Verifiable Delay Function，可驗證的延時函數。他的計算流程是串列的，需要花費一定的時間，並且這個時間無法通過多核並行的方式進行縮減。這保證了每個礦工產生 Ticket 時必須要消耗的時間，沒有人可以通過優化硬體的方式來獲得加速。聽上去這函數很完美，可是，這個 VDF 根本還不存在！現在 FileCoin 測試網直接使用了一個等待函數 sleep，這是 UDF，Unverifiable Delay Function。現在最接近的 VDF 解決方案，也是需要消耗大量計算資源的。說白了，還是要耗電，還是不環保。

所以，有用的工作量證明，依然只是一個美好的願望，理想很豐滿，但現實很骨感。被譽為下一個比特幣的 FIL，還要繼續為實現這個顛覆性的共識而努力。

總結一下FileCoin存儲礦工獲取激勵的流程：用戶存儲數據，支付FIL費用 -> 礦工存儲數據 -> 生成復制證明 -> 完成時空證明 -> 經過EC共識，選出出塊Leader -> 獲取打包權 -> 礦工獲取FIL獎勵

在這個流程圖上，可以看到，礦工可以在兩個地方獲取獎勵。一個是存儲用戶文件的時候可以得到用戶的FIL獎勵。一個是在獲取區塊打包權後獲得FIL。而得到區塊打包權的一個前提就是存有足夠多的用戶數據。所以，在存儲需求不夠大的情況下，礦工會從用戶那裡收取很低廉的費用。在用戶不夠的情況下，甚至會倒貼錢自己付FIL存數據，只為能夠存足夠多的數據，在 EC 共識中被選成 Leader 得到打包獎勵。這樣產生的效果是，FileCoin 對用戶非常友好，存儲費用非常低。所以，一定會吸引很多的應用來這個平台上做開發。但是缺點也很明顯，如果存儲量不夠大，礦工根本沒法跟其他人爭奪出塊權，所以得不到獎勵。最後整個平台會朝著大礦工，大礦池的方向發展，這跟 FileCoin 想把所有閑散伺服器利用起來實現分布式存儲的初衷是違背的。或者說，一定要等到這個行業具有一定規模，技術更成熟，才有小礦機挖礦的機會。

我們先來簡單的講一講中心化存儲和去中心化存儲各自的利弊。中心化存儲設備統一管理，可靠性好，性能高，去中心化存儲數據天然分散，易於流通，容災性好，但是可靠性低。從經濟角度來說，中心化存儲是重資產投入，成本高。去中心化存儲通過區塊鏈激勵層，用戶自行加入，輕資產，可降低存儲總成本。未來應用數據的存儲和處理還會是以中心化存儲為主，而去中心化存儲因為是分布式網路，主要可用於熱門數據流量分發。同時，因為沒有中心化所有權，可以成為去中心化應用的首選。

市場上有一種說法是，去中心化網路適合冷數據的備份，其實這並不是去中心化存儲的優點，實在是因為把熱數據放到去中心化網路上太不可靠，處理性能也跟不上。所以，如果去中心化存儲能實現一定的規模效應，大大降低存儲成本，把冷數據備份當作核心業務，並把目標定位在今天因為成本太高沒被企業存儲的冷數據，會是一個很好的發展方向。

如此說來，從技術上講，去中心化存儲並不一定比中心化存儲有優勢。如果能推行一種新的模式，把去中心化的經濟激勵和中心化的存儲合在一起，就能吸收兩者的長處。真正實現有用的工作量。FileCoin 未來可能促成的大礦場模式的數據中心，可能更有市場。

在11年後的今天，比特幣並沒有實現它成為一個點對點的電子支付貨幣的初衷，但阻止不了人類前赴後繼的去買它，擁有它。同樣，我相信 FileCoin 已經得到足夠大的社群，礦工和開發者的支持，即使在可預見的未來，它不會促成分布式存儲應用的全面落地（也許這從來不是 FileCoin 的目標），但我還是相信會有很多人會因為它的共識去購買它，持有它。上升到哲學層面，人類在為真理買單。

那麼在實際生活中，何為有用，或者說，我們到底是在用存儲做共識還是用共識做存儲？FileCoin 是前者。FileCoin 想要基於存儲工作量實現的去中心化的共識，理論上是完美的，追求完美，人類是要付出代價的。這也是為什麼在這個項目上我們等待了這么長的時間。但是一旦實現，它可能會為人類帶來巨大價值，對市場帶來無窮大的號召力。

只不過去中心化不是萬物的靈葯。中心化的一個最大優勢是它的效率非常高。像dPOS或者聯盟鏈這樣的弱中心化共識兼顧兩者優勢，能更快速的把應用推向市場，提前啟動分布式存儲行業，推進分布式存儲應用落地。所以，我們既追求用存儲做共識，也追求用共識做存儲，根據實際需求來做出我們的選擇。在這個過程中，相信區塊鏈也會進一步發展，逐步優化，變得越來越有用。

『貳』 區塊鏈共識機制之一：POW工作量證明機制

區塊鏈可以理解為一個不可篡改的公共賬本，所有參與者都能驗證交易並進行記賬，即為分布式賬本。那到底由誰來記賬？又如何保證賬本的一致性、准確性呢？也就是區塊鏈的共識機制是如何的？

區塊鏈的共識機制就是解決由誰來記賬（構造區塊），以及如何維護區塊鏈的一致性問題。目前區塊鏈項目採用的共識機制有多種，如：POW工作量證明機制，POS權益證明機制，DPOS股份授權證明機制等等。本文說明POW工作量證明機制。

區塊鏈的第一個成功應用比特幣系統採用的POW工作量證明機制。即以比特幣系統為例說明POW機制，首先比特幣系統有一套激勵機制讓所有參與者競爭記賬的權利，即誰擁有記賬權誰將獲取構造新區塊的比特幣獎勵（目前獎勵為12.5比特幣），同時獲取新區塊內所有交易的手續費作為獎勵。

參與者如何競爭記賬權利呢？參與者通過自己的算力計算一道數學難題，誰先計算的結果，誰就擁有了記賬的權利，也就可獲得構造新區塊的獎勵。這道數學難題就是尋找一個隨機數Nonce，使得對區塊頭的哈希計算的結果小於目標值，Nonce本身是區塊頭中的一個欄位，所以通過不斷的嘗試Nonce的值，以滿足區塊頭的哈希計算結果小於目標值。通過動態調整目標值，即可調整計算的Nonce值的難度。

關於哈希計算Nonce的過程通常類比為擲篩子游戲，基於參與游戲的篩子的個數通過調整擲得篩子的點數可調整游戲的難度。例如：100個人參與擲篩子，總共有100個篩子，要求擲得點數為100為贏，則100個人誰先擲得點數100即為勝利者，即擁有了記賬權。如果發現大家擲出100點的時間太快，則可增加難度，要求擲得點數為80為贏。如果又有100個人參與游戲，則游戲中增加了篩子數，如：篩子數增加為200個，同樣通過設置擲得點數來調整游戲的難度。

篩子類似於比特幣網路的算力，擲得點數類似於比特幣網路可動態調整的目標值。

區塊鏈以最長的鏈條視為正確的鏈條，如果存在同時出現兩個區塊，會暫時並行記錄兩個區塊，後續再生成的區塊基於其中的某一個區塊，將會形成的最長的鏈條作為一致性的鏈條，另外一個區塊將會被丟棄，比特幣是基於6個區塊的確認，所以被丟棄的區塊將不會獲得比特幣系統的獎勵，也就是白白將競爭記賬權的算力（電費）浪費了。基於工作量的激勵，參與者必然盡最大能力構造正確的區塊，也就是滿足區塊鏈的一致性。即全網的所有用戶可以達成唯一的一致性的公共賬本。

目前比特幣系統全網算力已達到驚人的24.75EH/s，其中1E=1000P，1P=1000T，1T=1000G，1G=1000M，1M=1000K，1K=1000，H/s為每秒一次哈希計算（哈希碰撞），也就是每秒進行24.75E次哈希計算，且仍有持續的算力加入比特幣系統。比特幣記賬權的競爭，提供算力的硬體從CPU，GPU，專業礦機，礦池。目前單機版的專業礦機已無法競爭到記賬權，必須由多台礦機組合為礦池才能競爭到記賬權。

『叄』 區塊鏈挖礦工作量證明是什麼

POW的拼法是Proof of Work（工作證明）。簡單說就是需要干非常多的苦力，才能獲得相對優厚報酬的工作模式。
礦工們在挖一個新的區塊時，必須對SHA-256密碼散列函數進行運算，區塊中的隨機散列值以一個或多個0開始。隨著0數目的上升，找到這個解所需要的工作量將呈指數增長，礦工通過反復嘗試找到這個解。
最先算出正確答案的礦機可獲得當前區塊的記賬權，同時獲得新發行比特幣的獎勵。理論上來說，算力（力氣）越大，算（搬）得越快，收益值就越高。這個你們應該看得懂的說，POW 的意思就是按勞分配，多勞多得。目前，幣界老大哥比特幣、現在的二哥以太幣等都是這種模式。

『肆』 什麼是區塊鏈

在設計比特幣系統時，中本聰創造性地把計算機算力競爭和經濟激勵相結合，形成了工作量證明（proof-of-work，POW）共識機制，讓挖礦計算機節點在計算競爭中完成了貨幣發行和記賬功能，也完成了區塊鏈賬本和去中心網路的運維。這就形成了一個完整的循環：礦機挖礦（算力競爭），完成去中心化記賬（運轉系統），獲得比特幣形式的經濟激勵（經濟獎勵）。

比特幣的工作量證明共識機制是承上啟下的一層，連接了上層應用與下層技術：在其上的層次為電子現金的發行、轉賬、防偽；在其下的層次，去中心網路的節點達成一致，更新分布式賬本。

之後在討論區塊鏈的現在與未來時，我們會不斷地回到比特幣系統的設計上來，它是一個簡單又精妙的系統，融合技術和經濟因素，是區塊鏈所有創新的源頭。

區塊鏈的定義

至此，相信讀者已經大概能明白了區塊鏈是什麼了，最後，再讓我們從不同的角度給區塊鏈下一個定義吧。

第一種區塊鏈的定義（比較通俗）

比特幣：一種加密數字貨幣；區塊鏈：一種基礎技術。

區塊鏈是一種源自於「比特幣」的底層技術。換句話說，比特幣是區塊鏈技術的第一個大獲成功的應用。

第二種區塊鏈的定義

區塊鏈是數字世界中進行「價值表示」和「價值轉移」的技術。區塊鏈硬幣一面是表示價值的加密數字貨幣或通證，另一面是進行價值轉移的分布式賬本與去中心網路。

分布式賬本與去中心網路也常被稱為「鏈」，它可被視為一個軟體平台；而表示價值的通證常被稱為「幣」。

通證存儲在鏈上，通過鏈上的代碼（主要形式的智能合約）來管理，它是可編程的。

區塊鏈是什麼

『伍』 區塊鏈共識機制

PoW：工作量證明 (Proof of Work，簡稱 PoW ) ，簡單的解釋就是一份證明，用來確認你做過一定量的工作。因為監測工作的整個過程通常是極為低效的，而通過對工作的結果進行認證來證明完成了相應的工作量，則是一種非常高效的方式。比如現實生活中的畢業證、駕駛證等等，都是通過檢驗結果的方式所取得的證明。這就是說，你獲得多少幣，取決於你對挖礦貢獻的有效工作。簡單的理解，你電腦性能越好，你獲得的收益就會越多，這就是根據你的工作量來執行幣的分配。大部分的數字貨幣，比如比特幣、萊特幣等等，都是基於 PoW 模式的虛擬貨幣(算力越高、挖礦時間越長，你獲得的幣就越多)。
PoS：PoS 是一種在公鏈中的共識演算法，可作為 PoW 演算法的一種替換。PoW是保證比特幣、當前以太坊和許多其它區塊鏈安全的一種機制，但是 PoW 演算法在挖礦過程中因破壞環境和浪費電力而受到指責。PoS 試圖通過以一種不同的機製取代挖礦的概念，從而解決這些問題。
PoS 機制可以被描述成一種虛擬挖礦。PoS 主要依賴於區塊鏈自身里的代幣。在PoW 中，一個用戶可能拿 1000 美元來買計算機，加入網路來挖礦產生新區塊，從而得到獎勵。而在 PoS 中，用戶可以拿 1000 美元購買等價值的代幣，把這些代幣當作押金放入 PoS 機制中，這樣用戶就有機會產生新塊而得到獎勵。在 PoW 中，如果用戶花費 2000 美元購買硬體設備，當然會獲得兩倍算力來挖礦，從而獲得兩倍獎勵。同樣，在 PoS 機制中投入兩倍的代幣作為押金，就有兩倍大的機會獲得產生新區塊的權利。

『陸』 區塊鏈pow是什麼意思

區塊鏈PoW就是區塊鏈上的一種共識機制，目前區塊鏈上的共識機制的種類是有很多的，PoW只是其中的一種，它的意思是工作量證明機制，其它的共識機制還有POS(權益證明機制)、DPOS(股份授權證明機制)、DAG(有向無環圖)、PBFT(實用拜占庭容錯)等很多種。
POW的全稱為ProofofWork，翻譯過來就是「工作證明」或者「工作量證明」。
比特幣、狗狗幣和萊特幣等都是基於POW模式的數字貨幣。就是說挖礦獲得多少貨幣獎勵，取決於帶含廳挖礦貢獻的有效工作，也就是說，礦機的性能越好、挖礦時間蠢隱老備越長，所獲得的貨幣獎勵就越多。
工作量證明的重要意義在於：它迫使貨幣的產生，需要付出一定的工作量和成本，這就賦予了貨幣一定的商品屬性，使得自由市場這只無形的手能夠通過「價格機制」自發地調節貨幣供應，保證了貨幣具有穩定的價值，從而使得貨幣能夠獲得人們的信任。