中本聪在 2008 年发表的论文，让外界了解到区块链和加密货币的概念，并开始慢慢研究当中的奥妙。其中让区块链运作的共识机制（Consensus mechanisms），也成为了其中一个研究重点。
共识机制由最初的“工作量证明”（Proof of Work, PoW），发展至后来的“权益证明”（Proof of Stake, PoS）、“权益委托证明”（Delegate Proof of Stake, DPoS），甚至有“授权证明”（Proof of Authority, PoA），“空间证明”（Proof of Space, PoSpace）等，局面早已不再单一。但到底不同共识机制之间，有着怎样的分别和特性？“新手专题”将会在今后 3 篇文章，分别介绍 PoW、PoS 和 DPoS 这 3 个较为流行的共识机制，而首篇会介绍 PoW。
在本篇新手专题文章当中，你将能够掌握：
- 工作量证明的历史
- 工作量证明的基本运作原理
- 工作量证明的优点
- 工作量证明的缺点
工作量证明的历史
工作量证明的概念，是早在 1993 年由美国电脑科学家 Cynthia Dwork，和以色列电脑科学家 Moni Naor 提出，当时他们提出的概念是用于应对垃圾电邮。到了 1999 年，“Proof of Work” 一词就正式被电脑保安研究者 Markus Jakobsson 和 Ari Juels 记载，以及写成论文。
如果大家有印象之前的新手专题文章，都会记得中本聪曾经在他的论文提过 Adam Back 的 “Hashcash”（“杂涵现金”）概念，当时 Adam Back 研究 Hashcash 同样是为了应对垃圾电邮。在互联网进入大众应用的 1990 年代，电邮已经是一个相当重要的网上功能。但是由于当时的互联网科技，包括拦截无用讯息的技术都不成熟，令电邮邮箱容易充斥着大量垃圾电邮。
工作量证明技术的引入的重要作用，就是要辨认垃圾电邮发讯者，并且提高发讯者一次过送出大量垃圾电邮的代价，甚至是要阻止这种行为。相反，由于正常发讯者一般来说都不会一次过发出大量同样内容的电邮，他们自然不会受到 PoW 影响。
工作量证明的基本运作原理
虽然 PoW 不是区块链和加密货币领域的专用技术，但是为了让大家以较快的速度理解，以下的内容将主要针对区块链和加密货币的应用场景叙述。
工作量证明顾名思义，其实就是节点以自身工作成果，去证明工作量的机制。在这样的情况下，到底什么才叫做节点的“自身工作成果”呢？我们在这里先采用比特币（Bitcoin, BTC）区块链的例子说明：
如果大家还记得新手专题第一篇文章的内容，都会留意到每个节点都需要收集新的交易至一个区块当中，之后节点就要为区块找出“一个足够困难的工作量证明”。根据中本聪的论文，一个区块当中，除了包括区块所属的多宗交易外，还需要包括之前一个区块的杂凑函数（Hash），以及一个“乱数”（“nonce”）。
来到这里，大家可以先理解一点：节点们其实都在参与一个斗快的有奖问答游戏 － 众多节点需要尽快找出一个“目标杂凑函数值”（target hash value）。根据机制，这个“目标杂凑函数值”无论如何都不会大于当前的挖矿难度值，最多只会相等。那么节点又如何找出这个目标数值呢？方法就是依靠区块里面的数据，以及计算机随机抽出的乱数去找出答案了。
由于区块里面的数据可以被视为一个定额数值，所以“乱数”就成为了工作量的关键。如果节点很快就抽到“合适”的乱数，它当然可以广播给所有节点，通知自己已经“获胜”；但如果抽不到的话，它就要不停抽到“合适”为止。
节点背后的计算机之所以要穷举其拥有的算力去运算，目的就是要成为首个能够“变出”切合目标数值之乱数的节点，这样才可以取得验证区块的权利，从而获得区块奖励，而以上的行为就是大家常言的“挖矿”（“Mining”）了。比特币最初的区块奖励是 50 BTC，但根据递减机制，现时的区块奖励已经减少至 12.5 BTC。到了下一轮的递减程序，奖励又会砍半至 6.25 BTC，如此类推。
以比特币为例，根据它的 PoW 机制，区块的产出速率是每个 10 分钟。当区块链累积够 2016 个区块的时候，节点们就会按统一的公式调整当前的挖矿难度值。将 10 分钟乘以 2016，就是 20160 分钟，也即是刚好 14 天的时间，故此比特币大约每 14 天就会调整挖矿难度一次。虽然偶有调低难度的时候，但是按照过往的纪录，比特币的挖矿难度都是整体呈上升趋势。
工作量证明的优点
在理论层面，PoW 确实是具备“公平”的优点。因为，假设所有的节点拥有者都是拿着一样的电脑硬件挖矿，他们在挖矿比赛能够“跑出”成为区块验证者的机会应该是均等的，这令到所有节点都能透过挖矿，获得合理期望的机会去取得奖励，从而实现财富增值。这不只是一种公平的实践，也是一种去中心化的实践。然而理论归理论，过往至今的经验已经告诉大家，上述优点在现实层面是无法发生的，原因将在下面的缺点部份再述。
除此之外，PoW 的运作机制和架构相对上是简单直接的，这对于一些资源较少的区块链和加密货币项目，可能会是一个好消息。另外，PoW 亦具备“难被攻克”的优点：经过验证后的区块，仍然需要获得多数节点承认，以“简单过半”为最低门槛。如果恶意节点或者攻击者，期望透过“51% 攻击”去篡改交易纪录，他要付出的硬件资源和算力最低门槛，就是要掌握全网过半算力－这是代价极为高昂的任务，而且较难实现。当然，“51% 攻击”也非不可能的事，原因将在下面的缺点部份再述。
工作量证明的缺点
正如 PoW 具备简单直接的运作架构，PoW 同样拥有一个相当直观和容易被发现的缺点，就是浪费能源。只要节点数目、交易持续增加，而且区块奖励即相关的加密货币具备市场价值，可以说矿工是不可能放弃挖矿这一门事业，这将令挖矿难度持续上升。由于挖矿难度愈高，意味着答案的“搜索范围”愈大，节点自然需要用更长久的时间，即投入更多的能源去随机抽出正确答案，这正是挖矿耗电的主因。
以 BTC 为例，在 2017 年关于 BTC 挖矿的能源消耗已经达 3000 万兆瓦时（30 TeraWatt-hour, TWh），已等于爱尔兰全国一年的电力消耗。到了 2018 年底，数字已经增加至 6000 万兆瓦时。多年以来，比特币挖矿，以至 PoW 浪费能源的缺点，可说已经令部分对区块链和加密货币不熟悉的人士，建立出“挖掘加密货币 = 浪费能源”的刻板印象，这个亦相信是业界一直希望努力发展其他共识机制的原因之一。
PoW 还有另一个缺点，就是会出现“富者愈富”的现象，上述 PoW 带来公平的现象，其实只是纸上谈兵。大家可以想像，PoW 实际上是一个充满资本主义特色的“军备竞赛”：既然区块奖励即加密货币具备了如此大的市场价值，人们当然会扩充自己的电脑硬件组合，以坐拥更多的算力，令自己有更大机会“中奖”。这里当然不是说算力少的节点没有机会中奖，毕竟找出合适的乱数也是一个随机步骤，但机会确实是微乎其微，这一点也是不容否认。
不过，现时大部分 PoW 加密货币生态圈其实都存在“矿池”（“mining pool”）制度，矿池就是聚沙成塔的概念，透过集合算力，将获得区块奖励的机会推至最高。假如真的中奖，矿池管理者就按照各个算力贡献者贡献的算力，按比例分发奖励。
但是，矿池制度其实又会引伸出另一个问题，就是大幅提升出现“51% 攻击”的机会。矿池将算力积少成多的特色，成功吸引了很多个人矿工加入矿池，这会令到矿池掌握的算力，能够达到全网算力的 10%，甚至是 20%、30%：可能只要两、三个矿池合并，他们的算力就会过半，出现“51% 攻击”的危机。当然，为了维护区块链、制度健康甚至是加密货币本身的价值，合并矿池达成“51% 攻击”的机会仍然偏低。
总结
虽然 PoW 技术的加持令区块链和比特币得以踏出第一步的发展，但即使是现在回看，我们都会明白到比特币与其背后的技术有着一些限制。如果要促进产业发展，各种方面的完善就变得迫切，于是就有后来的“权益证明”共识机制出现。关于它的概况，下一篇新手专题文章将会向大家讲解。
以上内容由《币讯》与 9up.io 共同协作撰写。
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