什麼是工作量證明（PoW）？

什麼是工作量證明？

Satoshi Nakamoto 在 2008 年的 Bitcoin 白皮書中說明了這個概念，並以 Adam Back 的 Hashcash 為基礎。Hashcash 是一種更早期的構想，目的是提高寄送垃圾郵件的成本。有效的雜湊值就是工作證明。沒有完成工作就無法得到它，而且任何人都能驗證你確實完成了工作。

本頁接下來會逐一說明每個部分，上方的方框也能讓你親自試試看：那是實際的比特幣區塊標頭格式，並在你的瀏覽器中即時計算雜湊。想了解挖礦全貌，請看我們的比特幣挖礦完整指南。

工作量證明解決了什麼問題？

Bitcoin 沒有公司、銀行或伺服器負責管理。數千台電腦各自保存一份帳本，而且必須對接下來的區塊，以及付款發生的順序達成共識。否則，同一枚幣就可能被花兩次。

在網路上，單純投票行不通，因為任何人都能開一千台假電腦，投一千次票。這就叫女巫攻擊。工作量證明避開了這個問題：你的話語權以雜湊次數衡量，而雜湊需要耗費電力和硬體。

Bitcoin 區塊標頭裡有什麼？

礦工不會對整個區塊進行雜湊。他們會對 80 位元組的區塊標頭進行雜湊，標頭會承諾其餘所有內容。以下是你在上方方框中編輯的六個欄位：

由於區塊標頭包含前一個區塊的雜湊值，更改舊區塊就會改變它的雜湊值，進而破壞下一個標頭，以及再下一個標頭。我們在建置本頁時，於伺服器上使用主視覺採用的相同程式碼，檢查了 2009 的真實創世區塊：

SHA-256 在比特幣中如何運作？

SHA-256 會將任何輸入轉成一個 256 位元的數字，並以 64 個十六進位字元表示。Bitcoin 會對區塊標頭執行兩次雜湊（大家稱之為 SHA-256d）。對挖礦來說，重要的特性很簡單：

最後這項特性正是工作量證明的核心。雜湊值即使接近目標值，也無法告訴你下一次嘗試會得到什麼結果，因此沒有捷徑能找到有效區塊。所有礦工都在參加同一場抽獎，每秒計算更多雜湊值，只是多買一些中獎機會。

什麼是目標值？為什麼前面要有那麼多個 0？

目標值是 256 位元的數字。把區塊雜湊值視為數字時，只要小於或等於目標值，區塊就有效。小數字開頭會有許多零，所以目標值越低，開頭的零就越多。每多一個十六進位零，平均就要多猜 16 倍。

網路每 2,016 個區塊調整一次目標值，大約每兩週一次，讓區塊無論在算力增加或減少時，都能維持約每十分鐘產生一個。目前網路算力約為 858 EH/s（即時數據，每小時更新）。調整方式請看我們的比特幣挖礦難度指南，算力單位則請看算力說明。

什麼是 nonce 和額外 nonce？

Nonce（「只用一次的數字」）是礦工每次猜測都會更改的 4 位元組欄位。它是唯一純粹為了修改而設的欄位。問題是，4 位元組只能表示約 4.3 十億種數值，現代機器幾乎瞬間就能全部試完。

因此，礦工也會更改額外 nonce，也就是 coinbase 中幾個預留的位元組。Coinbase 是區塊中的第一筆交易，用來支付礦工報酬。新的 coinbase 會產生新的 merkle root，也就有數十億個新的 nonce 可供嘗試。在礦池中，礦池會分配給每位礦工各自的額外 nonce 範圍，避免重複嘗試他人的工作。

為什麼找到區塊成本高，驗證成本卻低？

礦工必須不斷嘗試雜湊，直到結果低於目標值。其他人只要對區塊標頭計算一次雜湊，再比較結果即可。這種不對等的成本，讓數千台普通電腦無須信任建立區塊鏈的礦工，也能驗證區塊鏈。

你可以在下方親自試試搜尋部分。這個示範使用的區塊格式比主視覺區簡單，但採用相同的雙重 SHA-256 抽獎機制，而且每個找到的區塊都會連到前一個區塊。

什麼是最長鏈規則？什麼是 51% 攻擊？

有時兩位礦工幾乎同時找到區塊，網路會短暫出現兩個版本。節點會跟隨背後累積工作量最多的鏈。大家稱它為最長鏈，但其實應該說是最重的鏈：少數幾個難度高的區塊，可能比更多難度低的區塊更重。

若要推翻一筆付款，攻擊者必須從該筆付款之前開始，建立一條累積工作量超過其他所有人的鏈。上方每多一個區塊（一次確認），攻擊者就會落後更多。白皮書計算了成功機率，移動滑桿看看：

擁有 50% 或以上算力時，攻擊者最終會勝出。這就是 51% 攻擊。這種攻擊很嚴重，但也有其限制：

這就是為什麼交易所收到大額存款時，會等候多個確認。常見的經驗法則是等六個確認。

為什麼工作量證明會消耗這麼多能源？

因為能源就是安全保障。有效區塊證明確實消耗了電力。若要改寫歷史，攻擊者至少得再花上同等成本，而且必須持續投入，與此同時，誠實的網路會繼續向前。

耗電量有多少、電力來源為何，都是值得討論的問題。劍橋指數追蹤相關估算值，而我們的比特幣挖礦能源指南會逐一說明數據。每次減半都會削減獎勵中的新發行比特幣部分，因此隨著時間過去，手續費必須承擔更多安全預算。

工作量證明與權益證明有什麼不同？

權益證明（PoS）會從鎖定代幣作為押金的人之中，選出下一個區塊的產生者，而不是從消耗電力的人之中選出。Ethereum 在 2022 年從工作量證明轉為權益證明。以下是公平的並列比較：

Bitcoin 的開發者一直保留工作量證明，因為它的成本來自系統之外，所以沒有人能用自己持有的幣買下控制權。權益證明的支持者則強調它能節省能源，並更快達成最終確定性。

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請注意：獎勵金額是估算值，會隨網路狀況變動，且不保證一定能取得。使用方案不代表擁有任何機器或礦池。提領可能有限制，也可能需要驗證。詳情請見獎勵規則和免費比特幣挖礦指南。須遵守條款。

常見問題

來源與延伸閱讀

1. 《Bitcoin：點對點電子現金系統》（白皮書） · Satoshi Nakamoto，bitcoin.org
2. 區塊鏈指南：區塊標頭、工作量證明、coinbase · Bitcoin 開發者文件
3. 挖礦指南：單獨挖礦、礦池、getblocktemplate · Bitcoin 開發者文件
4. 難度 · Bitcoin Wiki
5. 確認 · Bitcoin Wiki
6. 劍橋比特幣用電量消耗指數 · 劍橋替代金融中心（Cambridge Centre for Alternative Finance）
7. 挖礦儀表板：算力、難度、近期區塊 · mempool.space

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