什么是工作量证明（PoW）？

什么是工作量证明？

中本聪在 2008 的 比特币白皮书 里描述了它，基于 Adam Back 的 Hashcash，一个更早的想法，用来让垃圾邮件变贵。有效哈希就是证明。你不做功就拿不到它，而且任何人都能看出你做过。

本页后面会把每一部分都讲一遍，上面的框也能让你自己试：这是真实的比特币区块头格式，会在你的浏览器里实时计算哈希。想看挖矿的全局概念，可以看我们的 完整比特币挖矿指南。

工作量证明解决了什么问题？

比特币没有公司、银行或服务器来管。成千上万台电脑各自保存一份账本副本，它们必须对下一个区块是谁、付款发生的顺序达成一致。不然就有人能把同一枚币花两次。

网上用简单投票不行，因为任何人都能开一千台假电脑，投一千次票。这叫女巫攻击。工作量证明绕开了它：你有多少话语权，看的是你算了多少哈希，而哈希要电和硬件。

比特币区块头里有什么？

矿工不会对整个区块做哈希。他们哈希的是它的 80 字节区块头，而区块头会承诺区块里的其他所有内容。下面是你在上方框里编辑过的 6 个字段：

因为区块头里包含上一个区块的哈希，改动旧区块就会改掉它的哈希，下一块的区块头就对不上，再下一块也会断。我们在构建本页时，用 hero 里同一段代码，在我们的服务器上核对了来自 2009 的真实创世区块：

SHA-256 在比特币里怎么用？

SHA-256 会把任意输入变成一个 256 位的数字，用 64 个十六进制字符表示。比特币会在区块头上跑两次（大家叫它 SHA-256d）。对挖矿来说，关键属性很简单：

最后这点就是工作量证明的核心。哈希值离目标值很近，并不能告诉你下一次会更接近还是更远，所以没有什么取巧的路能直接找到有效区块。每个矿工跑的都是同一种彩票，你每秒算的哈希越多，就只是买到更多“票”。

什么是目标值？为什么要看前导零？

目标值是一个 256 位的数字。把区块的哈希当成数字来读，只要它小于等于目标值，区块就有效。因为小数字开头会有很多 0，所以目标值越低，显示出来的前导 0 就越多。十六进制里每多一个 0，平均要多猜 16 倍。

网络每 2,016 个区块调整一次目标值，大约两周，这样不管算力进来多少或离开多少，区块都能保持大约每 10 分钟出一个。现在全网算力大约是 811 EH/s（实时，每小时更新）。调整机制怎么运作，我们在 比特币挖矿难度指南 里讲了；单位怎么读，算力说明 会讲清楚。

nonce 是什么？extra nonce 又是什么？

nonce（“只用一次的数字”）是一个 4 字节的字段，矿工每次猜测都会改它。它是区块头里唯一“就是为了被修改”而存在的字段。问题在于，4 字节也只够大约 4.3 十亿种取值，现代机器几乎一瞬间就能全跑完。

所以矿工还会改一个 extra nonce，也就是 coinbase 里多出来的几字节。coinbase 是区块第一笔交易，用来把奖励付给矿工。coinbase 一变，merkle root 就会变，也就等于又多了几十亿个全新的 nonce 可以试。在 矿池 里，矿池会给每个矿工分配各自的 extra nonce 范围，这样就不会重复别人算过的东西。

为什么找到一个区块很贵，但验证它很便宜？

矿工必须不断试哈希，直到有一个落在目标值以下。其他人只要把区块头哈希一次再对比就行。这个成本差，就是为什么成千上万台普通电脑能验证整条链，而不用信任挖出这些区块的矿工。

下面你可以自己动手试试“搜索”这部分。这个演示用的区块格式比顶部的示例更简单，但本质还是同一个双重 SHA-256 抽奖，而且每个挖到的区块都会连到上一个。

什么是最长链规则？什么是 51% 攻击？

有时两个矿工几乎同时找到区块，网络会短暂出现两条版本。节点会跟随“总工作量”更多的那条链。大家常叫它“最长链”，但更准确是“最重的链”：少数几个高难度区块，可能比更多低难度区块更重。

想把一笔付款倒回去，攻击者得从那笔付款之前开始，造出一条比所有人都更“重”的链。每多叠一个新区块在上面（也就是一次确认），攻击者就更落后一步。白皮书算过概率。拖动滑块看看：

当算力占比达到 50% 或以上时，攻击者最终会赢。这就是 51% 攻击。很严重，但它也有局限：

所以交易所对大额充值会等多个 确认。常见的经验值是 6 次。

为什么工作量证明要消耗这么多能量？

因为能量就是安全性。一个有效区块证明确实消耗了真实电力。想改写历史，攻击者至少得再花同样多的成本，还要在诚实网络继续前进时持续投入。

用多少电、从哪来，这是个合理的讨论点。剑桥指数会跟踪各类预估，我们的 比特币挖矿能耗指南 也会把数字讲清楚。每次 减半 都会减少奖励里的新币部分，所以时间久了，手续费得承担更多这笔安全预算。

工作量证明 vs 权益证明：有什么区别？

权益证明（PoS）会从把币锁起来当押金的人里选出下一个出块者，而不是从烧电的人里选。以太坊在 2022 从工作量证明切换到了权益证明。下面是公平的并排对比：

比特币的开发者一直保留工作量证明，因为它的成本在系统之外，没人能用自己已经持有的币买下控制权。权益证明的支持者则强调更省电和更快的最终确定性。

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你要知道：奖励是预估值，会随网络变化，不保证一定拿到，而且方案不代表你拥有任何矿机或矿池。提现可能有额度限制，或需要验证。细节见 奖励规则 和 免费比特币挖矿指南。适用条款。

常见问题

来源与延伸阅读

1. 《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》（白皮书） · 中本聪，bitcoin.org
2. 区块链指南：区块头、工作量证明、coinbase · 比特币开发者文档
3. 挖矿指南：独立挖矿、矿池、getblocktemplate · 比特币开发者文档
4. 难度 · Bitcoin Wiki
5. 确认 · Bitcoin Wiki
6. 剑桥比特币用电量指数 · 剑桥另类金融研究中心
7. 挖矿面板：算力、难度、最近区块 · mempool.space

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