区块演义（三）：矿工-区块链的证人

上一篇区块演义讲到，单向函数可以防止区块链的内容被篡改。区块链静态防伪的问题到此就被解决了。但是，如何让网络上的所有用户主动地去承认唯一一条区块链呢？区块链随着它支持的应用的运营而变长，我们又如何保证它不分叉呢，即链条的每一环增长都被所有用户主动去承认呢？在本怪咖的文章中，上述这几个问题概括为一个：即区块链的动态防伪问题。

不错，相信大家也猜到问题的答案，区块链要解决动态防伪问题，靠的是“挖矿”。所谓的挖矿其实是引入一种证明机制，在区块链不断变长的动态过程中确保大家不断对新增区块形成共识。

那这个问题原理上怎么去解决呢？在比特币的区块链中，设计了一种工作量证明机制，英文缩写为POW。此外，其他应用采用另一种叫权益证明的机制，缩写为POW。

先介绍POW。上一篇文章提到，我们做静态防伪时，只需要计算每一个block的hash就可以了。那么问题来了：1.如果制作block的人不诚实，把收集到block中的信息篡改，然后迅速求出hash值呢？怎么防范这种情况？2.如果有黑客或者是搞事的人，虚拟很多制作block的用户（即马甲），然后让这些一大堆的“用户”都承认它的虚假block呢？在比特币中，这是严重的问题：因为如果这些制作block的人能在链形成的过程中修改block的内容，意味着可以修改比特币持有者们的比特币金额了！同理，其他应用也一样要避免上述情况。为此，区块链引入了工作量证明机制：每生成一个区块链，须要完成一定数量的运算才行。对于第一个问题，由于链是不断增长的，要写入block的信息一旦被诚实的block制作人经过一定数量的运算，计算出hash值并写入下一个区块中，不老实的人需要篡改已经在链中的区块，则需要付出大量的运算能力才行。对于第二个问题，这样一来，那些通过改IP或者其他手段虚拟出小号马甲就没辙了，除非它拥有巨大的运算能力，而拥有巨大的运算能力，唯一的方法是拥有数量和性能巨大的硬件设施。

具体的机制是怎么样呢？大家还记得上一篇文章讲到的NONCE和HASH值吗？这里就是关键，关乎到block的制作人需要付出多大的运算能力才能制作出链条，而这个付出计算能力的过程，叫“挖矿”。

当把所有要装入block的信息装入后，block中留下一个位置用来装NONCE值，block制作人（其实就是矿工，下称矿工），需要选择一个适合的NONCE值，使得整个block的hash值小于某个数。

回忆前篇文章的单向函数的概念：

“给定任意两个集合X和Y。 函数f：X　Y 称为单向的，如果对每一个x属于X，很容易计算出函数f(x)的值，而对大多数y属于Y， 要确定满足y=f(x)的x是计算上困难的(假设至少有这样一个x存在)。”

单向函数除了有牵一发动全身之外，还有一个重要的性质就是根据函数值而推出自变量，是非常困难的，困难到只能用穷举法（一个一个输入地尝试）找出函数值对应的自变量。如果要让block的hash值小于某一个数，那么在找nonce的时候只能一个一个nonce地尝试，例如nonce是10进制的4位数，那么就有0000-9999共一万个组合，要找出小于某个数值的整个block的hash值，一般就只能够0000-9999逐个尝试。最好的结果是运气大好一下就选到适合的nonce值，但是最坏的情况是尝试到最后一个才有适合的nonce值。但是一般来说，应该平均尝试次数是5000次。那在这个过程中，矿工就进行了这种逐次尝试中付出了运算能力。对于矿工，算出nonce值的好处是，它获得比特币，也就是我们通常说挖到了矿。可以预见，在计算能力分布较为均衡的时候，谁能最先算得适合的nonce，基本上是随机问题，也就是说，没有常胜将军（不然矿都被某些人挖完了）。

当一个矿工计算出适合的nonce值后，它就会向整个网络公布它的结果。其他矿工收到后会停下来验证：1，计算hash是不是合法。2，hash值是不是小于某个数。验证成功后，毫不犹豫地他们会放下自己当前的运算，立刻投入下一个区块的nonce值求解当中，因为他们也希望只要自己先行一步，命运之神就更可能眷顾他们，让他们在下一个区块中解出nonce值。

到此为止，工作量证明的机制原理已经讲完了。喜欢文章的朋友欢迎转载和加关注哦。