工作量證明

工作量證明（Proof-of-Work，PoW）是一種對應服務與資源濫用、或是阻斷服務攻擊的經濟對策。

一般要求使用者進行一些耗時適當的複雜運算，並且答案能被服務方快速驗算，以此耗用的時間、設備與能源做為擔保成本，以確保服務與資源是被真正的需求所使用。此概念最早由Cynthia Dwork（英语：Cynthia Dwork）和Moni Naor（英语：Moni Naor）於1993年的學術論文提出^[1]，而工作量證明一詞則是在1999年由Markus Jakobsson（英语：Markus Jakobsson）與Ari Juels.^[2]所發表。現時此技術成為了加密貨幣的主流共識機制之一，如比特幣所採用的技術。

技術原理

工作量證明最常用的技術原理是雜湊函數。由於輸入雜湊函數${\displaystyle h}$ 的任意值${\displaystyle n}$ ，會對應到一個${\displaystyle h(n)}$ 結果，而${\displaystyle n}$ 只要變動一個位元，就會引起雪崩效應，所以幾乎無法從${\displaystyle h(n)}$ 反推回${\displaystyle n}$ ，因此藉由指定尋找${\displaystyle h(n)}$ 的特徵，讓使用者進行大量的窮舉運算，就可以達成工作量證明。

我們若指定${\displaystyle h(n)}$ 的16進位值的前四值，求${\displaystyle n}$ ，這樣統計上平均約要運行2¹⁶次${\displaystyle h(n)}$ 雜湊運算，才會得到答案，但驗算只要進行一次就可以了。如果想要增加難度，那就增加指定的位數即可。以SHA256函數舉例，假設我們要處理資料Hello World，並找出${\displaystyle h(n)}$ 前四值為0000的${\displaystyle n}$ ，如果從Hello World0開始加上一個十進位數ASCII進行窮舉猜測，到Hello World107105時才會得到符合條件的${\displaystyle h(n)}$ ：

0000BFE6AF4232F78B0C8EBA37A6BA6C17B9B8671473B0B82305880BE077EDD9 

驗算時只要將Hello World107105代入SHA256函式一次即可。

加密貨幣的應用

由於加密貨幣多由區塊鏈所建構，而區塊鏈本來就要依賴雜湊函數來做為資料正確無誤的擔保，所以在加密貨幣上使用工作量證明，是非常簡明的設計。由分散在各處的計算機，競賽誰能最早找出，搭配原本要打包的資料的窮舉猜測值（nonce），誰就等同獲得該區塊的打包權（記帳權）。此猜測值被找出後，與資料、雜湊值一起打包成塊後廣播，經多數節點確認與承認，打包者就能獲得打包該區塊所提供的獎勵。^[3]一般採用工作量證明的加密貨幣，好比比特幣，會設定成隨著參與競賽的算力增減，而調整找尋猜測值的難度，以維持合理的運作速度。

• 優點
  • 架構簡明扼要、有效可靠。
  • 由於要獲得多數節點承認，那攻擊者必須投入超過總體一半的運算量（51%攻擊），才能保證篡改結果。這使得攻擊成功的成本變得非常高昂，難以實現。
  • 某種程度上是公平的，你投入越多的算力，你獲得打包權的機率也等比增加。

• 缺點
  • 非常浪費能源。投入在一種加密貨幣上的能源，可能會超過一個小型國家的總使用量。^[4]
  • 由於加密貨幣在世界上已成為一種投資標的，所以技术人员開發出了由ASIC組成的特製計算设备（矿机），壟斷算力。這與加密貨幣的去中心化思想背道而馳。
    • 也因此，後期開發的加密貨幣有針對抗ASIC的演算法設計，例如以太坊採用的Ethash（Dagger-Hashimoto）算法。
    • 後期開發的加密貨幣陸續使用了POS機制（例如以太坊）或DPOS機制（例如比特股﹑EOS）。

參考

1. Dwork, Cynthia; Naor, Moni. Pricing via Processing, Or, Combatting Junk Mail, Advances in Cryptology. CRYPTO’92: Lecture Notes in Computer Science No. 740 (Springer). 1993: 139–147 [2017-09-22]. （原始内容于2017-11-26）. 
2. Jakobsson, Markus; Juels, Ari. Proofs of Work and Bread Pudding Protocols. Communications and Multimedia Security (Kluwer Academic Publishers). 1999: 258–272 [2017-09-22]. （原始内容于2017-04-17）. 
3. 揭秘比特币和区块链（二）：什么是工作量证明？. [2017-09-22]. （原始内容于2018-11-07）. 
4. 全球瘋挖礦，挖幣總耗電量竟與一個國家用電量一樣高！. [2017-09-22]. （原始内容于2020-10-01）. 

參閱

• 區塊鏈
• 雜湊函數
• 加密貨幣
• 加密電子貨幣列表
• 持有量證明

外部連結

• . [2019-04-10]. （原始内容存档于2007-12-22）. 
• bit gold Bit gold（页面存档备份，存于互联网档案馆）. Describes a complete money system (including generation, storage, assay, and transfer) based on proof of work functions and the machine architecture problem raised by the use of these functions.