工作量证明
工作量证明(Proof-of-Work,PoW)是一种对应服务与资源滥用、或是拒绝服务攻击的经济对策。
一般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。
此概念最早由Cynthia Dwork和Moni Naor于1993年的学术论文提出,而工作量证明一词则是在1999年由Markus Jakobsson与Ari Juels.所发表。
现时此技术成为了加密货币的主流共识机制之一,如比特币所采用的技术。
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(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,假设我们要处理资料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时才会得到符合条件的h(n):
0000BFE6AF4232F78B0C8EBA37A6BA6C17B9B8671473B0B82305880BE077EDD9
验算时只要将Hello World107105代入SHA256函数一次即可。
ps: 其实这里也并不准确。理论上可以采取类似于彩虹表的策略,因为比特币是开源的,那么 hash 的策略大家都是知道的,如何 hash 也是知道的。所以,可以把常见的字母,进行穷举 HASH,大量存储。复杂度也是 O(1)。
所以,就需要每一次交易都加上对应的 hash 盐值,那么彩虹表这种方式就会不可行。
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资料正确无误的担保,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,搭配原本要打包的资料的穷举猜测值(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,与资料、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。[3]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。
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。这使得攻击成功的成本变得非常高昂,难以实现。
某种程度上是公平的,你投入越多的算力,你获得打包权的几率也等比增加。
缺点
非常浪费能源。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。
由于加密货币在世界上已成为一种投资标的,所以技术人员开发出了由ASIC组成的特制计算设备(矿机),垄断算力。这与加密货币的去中心化思想背道而驰。
也因此,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Ethash(Dagger-Hashimoto)算法。
后期开发的加密货币陆续使用了POS机制(例如以太坊)或DPOS机制(例如比特股﹑EOS)。
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