中本聰在 2008 年發表的論文，讓外界了解到區塊鏈和加密貨幣的概念，並開始慢慢研究當中的奧妙。其中讓區塊鏈運作的共識機制（Consensus mechanisms），也成為了其中一個研究重點。
共識機制由最初的「工作量證明」（Proof of Work, PoW），發展至後來的「權益證明」（Proof of Stake, PoS）、「權益委託證明」（Delegate Proof of Stake, DPoS），甚至有「授權證明」（Proof of Authority, PoA），「空間證明」（Proof of Space, PoSpace）等，局面早已不再單一。但到底不同共識機制之間，有著怎樣的分別和特性？「新手專題」將會在今後 3 篇文章，分別介紹 PoW、PoS 和 DPoS 這 3 個較為流行的共識機制，而首篇會介紹 PoW。
在本篇新手專題文章當中，你將能夠掌握：
- 工作量證明的歷史
- 工作量證明的基本運作原理
- 工作量證明的優點
- 工作量證明的缺點
工作量證明的歷史
工作量證明的概念，是早在 1993 年由美國電腦科學家 Cynthia Dwork，和以色列電腦科學家 Moni Naor 提出，當時他們提出的概念是用於應對垃圾電郵。到了 1999 年，“Proof of Work” 一詞就正式被電腦保安研究者 Markus Jakobsson 和 Ari Juels 記載，以及寫成論文。
如果大家有印象之前的新手專題文章，都會記得中本聰曾經在他的論文提過 Adam Back 的 “Hashcash”（「雜涵現金」）概念，當時 Adam Back 研究 Hashcash 同樣是為了應對垃圾電郵。在互聯網進入大眾應用的 1990 年代，電郵已經是一個相當重要的網上功能。但是由於當時的互聯網科技，包括攔截無用訊息的技術都不成熟，令電郵郵箱容易充斥著大量垃圾電郵。
工作量證明技術的引入的重要作用，就是要辨認垃圾電郵發訊者，並且提高發訊者一次過送出大量垃圾電郵的代價，甚至是要阻止這種行為。相反，由於正常發訊者一般來說都不會一次過發出大量同樣內容的電郵，他們自然不會受到 PoW 影響。
工作量證明的基本運作原理
雖然 PoW 不是區塊鏈和加密貨幣領域的專用技術，但是為了讓大家以較快的速度理解，以下的內容將主要針對區塊鏈和加密貨幣的應用場景敘述。
工作量證明顧名思義，其實就是節點以自身工作成果，去證明工作量的機制。在這樣的情況下，到底甚麼才叫做節點的「自身工作成果」呢？我們在這裡先採用比特幣（Bitcoin, BTC）區塊鏈的例子說明：
如果大家還記得新手專題第一篇文章的內容，都會留意到每個節點都需要收集新的交易至一個區塊當中，之後節點就要為區塊找出「一個足夠困難的工作量證明」。根據中本聰的論文，一個區塊當中，除了包括區塊所屬的多宗交易外，還需要包括之前一個區塊的雜湊函數（Hash），以及一個「亂數」（“nonce”）。
來到這裡，大家可以先理解一點：節點們其實都在參與一個鬥快的有獎問答遊戲 － 眾多節點需要盡快找出一個「目標雜湊函數值」（target hash value）。根據機制，這個「目標雜湊函數值」無論如何都不會大於當前的挖礦難度值，最多只會相等。那麼節點又如何找出這個目標數值呢？方法就是依靠區塊裡面的數據，以及計算機隨機抽出的亂數去找出答案了。
由於區塊裡面的數據可以被視為一個定額數值，所以「亂數」就成為了工作量的關鍵。如果節點很快就抽到「合適」的亂數，它當然可以廣播給所有節點，通知自己已經「獲勝」；但如果抽不到的話，它就要不停抽到「合適」為止。
節點背後的計算機之所以要窮舉其擁有的算力去運算，目的就是要成為首個能夠「變出」切合目標數值之亂數的節點，這樣才可以取得驗證區塊的權利，從而獲得區塊獎勵，而以上的行為就是大家常言的「挖礦」（“Mining”）了。比特幣最初的區塊獎勵是 50 BTC，但根據遞減機制，現時的區塊獎勵已經減少至 12.5 BTC。到了下一輪的遞減程序，獎勵又會砍半至 6.25 BTC，如此類推。
以比特幣為例，根據它的 PoW 機制，區塊的產出速率是每個 10 分鐘。當區塊鏈累積夠 2016 個區塊的時候，節點們就會按統一的公式調整當前的挖礦難度值。將 10 分鐘乘以 2016，就是 20160 分鐘，也即是剛好 14 天的時間，故此比特幣大約每 14 天就會調整挖礦難度一次。雖然偶有調低難度的時候，但是按照過往的紀錄，比特幣的挖礦難度都是整體呈上升趨勢。
工作量證明的優點
在理論層面，PoW 確實是具備「公平」的優點。因為，假設所有的節點擁有者都是拿著一樣的電腦硬件挖礦，他們在挖礦比賽能夠「跑出」成為區塊驗證者的機會應該是均等的，這令到所有節點都能透過挖礦，獲得合理期望的機會去取得獎勵，從而實現財富增值。這不只是一種公平的實踐，也是一種去中心化的實踐。然而理論歸理論，過往至今的經驗已經告訴大家，上述優點在現實層面是無法發生的，原因將在下面的缺點部份再述。
除此之外，PoW 的運作機制和架構相對上是簡單直接的，這對於一些資源較少的區塊鏈和加密貨幣項目，可能會是一個好消息。另外，PoW 亦具備「難被攻克」的優點：經過驗證後的區塊，仍然需要獲得多數節點承認，以「簡單過半」為最低門檻。如果惡意節點或者攻擊者，期望透過「51% 攻擊」去篡改交易紀錄，他要付出的硬件資源和算力最低門檻，就是要掌握全網過半算力－這是代價極為高昂的任務，而且較難實現。當然，「51% 攻擊」也非不可能的事，原因將在下面的缺點部份再述。
工作量證明的缺點
正如 PoW 具備簡單直接的運作架構，PoW 同樣擁有一個相當直觀和容易被發現的缺點，就是浪費能源。只要節點數目、交易持續增加，而且區塊獎勵即相關的加密貨幣具備市場價值，可以說礦工是不可能放棄挖礦這一門事業，這將令挖礦難度持續上升。由於挖礦難度愈高，意味著答案的「搜索範圍」愈大，節點自然需要用更長久的時間，即投入更多的能源去隨機抽出正確答案，這正是挖礦耗電的主因。
以 BTC 為例，在 2017 年關於 BTC 挖礦的能源消耗已經達 3000 萬兆瓦時（30 TeraWatt-hour, TWh），已等於愛爾蘭全國一年的電力消耗。到了 2018 年底，數字已經增加至 6000 萬兆瓦時。多年以來，比特幣挖礦，以至 PoW 浪費能源的缺點，可說已經令部分對區塊鏈和加密貨幣不熟悉的人士，建立出「挖掘加密貨幣 = 浪費能源」的刻板印象，這個亦相信是業界一直希望努力發展其他共識機制的原因之一。
PoW 還有另一個缺點，就是會出現「富者愈富」的現象，上述 PoW 帶來公平的現象，其實只是紙上談兵。大家可以想像，PoW 實際上是一個充滿資本主義特色的「軍備競賽」：既然區塊獎勵即加密貨幣具備了如此大的市場價值，人們當然會擴充自己的電腦硬件組合，以坐擁更多的算力，令自己有更大機會「中獎」。這裡當然不是說算力少的節點沒有機會中獎，畢竟找出合適的亂數也是一個隨機步驟，但機會確實是微乎其微，這一點也是不容否認。
不過，現時大部分 PoW 加密貨幣生態圈其實都存在「礦池」（“mining pool”）制度，礦池就是聚沙成塔的概念，透過集合算力，將獲得區塊獎勵的機會推至最高。假如真的中獎，礦池管理者就按照各個算力貢獻者貢獻的算力，按比例分發獎勵。
但是，礦池制度其實又會引伸出另一個問題，就是大幅提升出現「51% 攻擊」的機會。礦池將算力積少成多的特色，成功吸引了很多個人礦工加入礦池，這會令到礦池掌握的算力，能夠達到全網算力的 10%，甚至是 20%、30%：可能只要兩、三個礦池合併，他們的算力就會過半，出現「51% 攻擊」的危機。當然，為了維護區塊鏈、制度健康甚至是加密貨幣本身的價值，合併礦池達成「51% 攻擊」的機會仍然偏低。
總結
雖然 PoW 技術的加持令區塊鏈和比特幣得以踏出第一步的發展，但即使是現在回看，我們都會明白到比特幣與其背後的技術有著一些限制。如果要促進產業發展，各種方面的完善就變得迫切，於是就有後來的「權益證明」共識機制出現。關於它的概況，下一篇新手專題文章將會向大家講解。
以上內容由《幣訊》與 9up.io 共同協作撰寫。
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