比特幣礦機最重要的一部分就是工作量證明（PoW）：一種為去中心化帳本提供強大安全性的共識機制。由 Moni Naor 和 Cynthia Dwork 設計的一種 PoW 形式來阻止拒絕服務攻擊和垃圾郵件等其他濫用行為。這樣做需要請求服務的人做一些工作，通常涉及電腦的處理時間。
作為加密貨幣最大代幣的基礎組成部分，PoW 應該被比特幣持有者和網路參與者所理解。然而這項技術並非沒有複雜性。為什麼 PoW 需要這麼多能量？它如何確保交易安全，以及 PoW 與權益證明等替代方案相比如何？
工作量證明（Proof of Work）重點整理
工作量證明 (PoW) 確保比特幣區塊鏈的安全並使其去中心化。
透過 PoW，礦工解決難題來驗證交易並添加新區塊。
PoW 可以阻止雙花和網路攻擊。
挑戰包括高能耗、可擴展性問題和挖礦集中化。
儘管有諸如權益證明之類的替代方案，工作量證明對於比特幣的安全仍然至關重要。
工作量證明（Pow）是什麼？
比特幣共識的支柱是工作量證明（PoW），它可以保證網路安全並允許在沒有中央機構的情況下驗證交易。比特幣的創造者中本聰 (Satoshi Nakomoto) 於 2008 年發布了比特幣白皮書，解釋了中本聰 (Satoshi Nakomoto) 設想 PoW 如何為比特幣服務。
交易驗證
當比特幣交易發生時，它會與其他交易一起分組到一個「區塊」中。礦工們競相解決與該區塊相關的複雜數學難題。第一個解決難題的人有權將區塊添加到區塊鏈中，確保交易合法。
採礦流程
礦工使用功能強大的計算機執行大量計算，搜尋特定的哈希值。這個過程是資源密集的，需要大量的運算能力和能量。
安全保證
解決網路運算難題的難度阻止了惡意行為者。更改一個區塊需要重新完成該區塊以及所有後續區塊的 PoW，這使得篡改變得不切實際。
工作量證明如何保護比特幣？
安全性是比特幣網路中 PoW 的主要功能。讓我們仔細看看。
礦工和密碼學難題
到目前為止，我們知道礦工透過解決複雜的密碼難題來驗證網路上的交易。這些謎題需要大量的運算能力，使得個人或團體很難控制過程。
新增區塊
一旦礦工解決了難題，他們就獲得了向去中心化帳本添加新交易區塊的權利。然後，這個新區塊會在網路上傳播，確保所有參與者都有一致的記錄。
防止區塊鏈控制
惡意行為者無法輕易改變區塊鏈。要修改過去的交易，他們必須重做該區塊和所有後續區塊的 PoW，這在計算上是不切實際的。
分散式挖礦
透過將挖礦過程分佈在龐大的參與者網路中，PoW 有助於防止單一實體控制區塊鏈。這種去中心化對於維護比特幣的安全性和可信度至關重要。
工作量證明有什麼好處？
抵制雙重支出
PoW 的一個關鍵優勢是它能夠防止雙重支出。透過要求礦工解決複雜的數學難題來驗證交易，PoW 保證每個比特幣僅使用一次。
強大的安全性，抵禦攻擊
PoW 對於許多攻擊都非常安全，包括 51% 攻擊。惡意行為者可能會嘗試控制大部分網路的挖礦能力。然而，高昂的成本和運算資源使得攻擊幾乎不可能，這有助於保護網路。
去中心化
PoW允許任何擁有所需計算資源的人參與挖礦過程，從而實現去中心化的區塊鏈。這種開放性可以防止網路受到中央機構的控制，從而為網路帶來去信任性和透明度。
工作量證明面臨哪些挑戰？
可擴展性問題
比特幣的網路每秒可以處理大約七筆交易，這可能會導致高需求期間的延遲。這種限制源自於 PoW 的設計，每個區塊大約每十分鐘添加一次，限制了交易吞吐量。因此，網路使用者在高峰時段可能會遇到更長的確認時間和更高的費用。
中心化風險
雖然 PoW 旨在促進去中心化，但大型礦池的興起卻帶來了中心化風險。這些礦池可以控製網路的大部分算力，威脅網路的安全性和去中心化。算力的集中破壞了分散式網路的原則，使其容易受到協同攻擊。
社區已採取行動應對上述挑戰並改善比特幣網路。值得注意的是，我們看到第 2 層 (L2) 比特幣 DeFi 專案增加，這些專案透過啟用鏈下交易、減少主區塊鏈的負載來解決可擴展性問題。同時閃電網路是一種建立在比特幣之上的 L2 支付協議，允許任何人使用節點處理交易，從而為個人用戶提供更大的控制權並降低中心化風險。
環境問題
PoW 的缺點之一是其高電力消耗以及由此產生的環境影響。為什麼 PoW 會消耗大量電力？
計算和硬體要求解決 PoW 難題需要大量的運算資源，從而導致高電力消耗。礦工使用專用硬件，例如專用積體電路（ASIC），這會消耗大量能源。隨著越來越多的礦工加入，競爭加劇，整體能源使用量增加。
碳排放和電子垃圾比特幣挖礦的能源消耗會造成大量碳排放，特別是在使用化石燃料的情況下。到 2021 年，比特幣的年能源消耗量預計將與阿根廷等國家的能源消耗相媲美。採礦硬體的快速陳舊導致大量電子廢物，加劇了環境問題。
努力實現永續發展一些採礦作業正在轉向再生能源，以減少碳足跡。以太坊已轉向能源密集的 PoS，旨在變得更加永續和環保。
工作量證明與其他共識機制相比如何？
股權證明和委託股權證明（DPoS）提供了比特幣 PoW 共識的替代方案。 PoS 透過根據總質押資產隨機選擇驗證者來驗證分散式帳本上的條目，而 DPoS 採用投票系統。
工作量證明（PoW）
優點：
安全性： PoW 需要大量的運算工作，這使得惡意行為者很難改變區塊鏈。
去中心化：透過允許任何擁有必要硬體的人參與，PoW 促進了去中心化網路。
缺點：
能源消耗： PoW 是能源密集的，導致環境問題。
可擴展性限制：挖掘所需的時間和資源可能會導致交易處理速度變慢。
股權證明 (PoS)
優點：
能源效率： PoS 消除了能源密集運算的需要，減少了對環境的影響。
可擴展性：更快的區塊驗證可以帶來更快的交易時間。
缺點：
中心化風險：擁有更多股份的富裕參與者可能擁有更大的影響力，可能導致中心化。
安全問題： PoS 可能容易受到某些攻擊，例如「無利害關係」威脅。無利害關係是 PoS 協定中的安全問題，如果網路分叉，驗證者不會遺失任何東西。
委託權益證明 (DPoS)
優點：
高吞吐量： DPoS 每秒可以處理許多交易，使其適合高需求的應用程式。
治理：利害關係人投票選出代表，為網路管理引入民主元素。
缺點：
潛在的中心化：少數代表控製網絡，這可能導致中心化。
信任問題：如果我們相信代表會做對網路最有利的事情，那麼他們的腐敗或串通行為可能會導致問題。
結語
如今，PoW 已成為用於驗證區塊鏈網路上交易的主要共識機制之一。儘管 PoW 的能源密集性質和可擴展性挑戰是合理的擔憂，但該技術在保護去中心化區塊鏈和抵禦攻擊方面已得到驗證。當您進一步探索區塊鏈時，了解 PoW 的機制和權衡可以讓您更清楚地了解影響加密貨幣方向的挑戰和創新。
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