4. 工作量证明

先看本节要讲什么。白皮书第一句话就点明了该节的目的。

To implement a distributed timestamp server on a peer-to-peer basis, we will need to use a proof- of-work system similar to Adam Back's Hashcash [6], rather than newspaper or Usenet posts.

为了在点对点的去中心化环境下实现分布式时间戳服务，我们使用类似于Adam在Hashcash中提出的一个工作量证明系统，而不是使用报纸或者新闻组这样的方法。

所以本节全部围绕着如何具体实现上节的时间戳。由于是在点对点的环境下，所以该时间戳是一个分布式时间戳。本节讨论的就是分布式时间戳实现的方法，是对上节时间戳概念的落实。（为什么要实现时间戳呢？因为要解决双花问题。时间戳为什么能够解决双花问题呢？因为要形成一个唯一的不可更改的交易记录账本）

注意Hashcash也是一个电子现金系统，是由Adam提出的。中本聪受到该系统的启发，并且在白皮书中引用了该论文。此外，上面说了不使用在上节说的报纸或者新闻组来实现时间戳。那么通过什么方法来实现呢？白皮书上说了，通过一个叫“工作量证明”的方法。什么是工作量证明呢？紧接着白皮书给出了说明。

The proof-of-work involves scanning for a value that when hashed, such as with SHA-256, the hash begins with a number of zero bits. The average work required is exponential in the number of zero bits required and can be verified by executing a single hash.

工作量证明就是求解一个哈希值（例如通过SHA-256求解哈希值），要求该哈希值的最高位含有若干个0。平均情况下，该工作量与0的个数呈指数级关系，即哈希值中0的个数的增加将会让求解工作量呈指数级增长。而验证该哈希值的正确性可以通过执行哈希函数来进行。

上面说明了工作量证明的难度，即求解满足要求的哈希值所花费的时间，与哈希值的最高位含有多少个0有直接关系。这样就把工作量证明与时间挂上了钩。那么具体如何实现工作量证明呢？白皮书紧接着说了。

For our timestamp network, we implement the proof-of-work by incrementing a nonce in the block until a value is found that gives the block's hash the required zero bits. Once the CPU effort has been expended to make it satisfy the proof-of-work, the block cannot be changed without redoing the work. As later blocks are chained after it, the work to change the block would include redoing all the blocks after it.

为了构建我们的时间戳网络，我们需要实现工作量证明机制，而该机制是通过不断递增一个区块中的随机数，直到发现一个满足要求的区块哈希值。所以工作量证明就是不断的取一个随机数去求解区块的哈希值，没有捷径可言，就是不断的尝试，不断的计算。一旦CPU的算力用于完成了工作量证明，即发现了一个满足要求的哈希值，也就是找到了放到区块中的那个随机数，则如果想改变该区块中的数据的话，必须再做同样的事情，即花费CPU的算力去完成工作量证明。如果该区块后面又有新的区块，则改变该区块中的数据所花费的工作量将包括后面的所有区块，所以工作量大大增加。

看到这里，是不是想到了时间戳服务那节所说的：如果想篡改某一个区块的时间戳，必须篡改其后的所有时间戳才可以。而这里恰好通过工作量证明机制实现了时间戳服务。至此，你清楚了吗？工作量证明机制是干吗的。

工作量证明机制还有另外一个特性，紧接着白皮书说到：

The proof-of-work also solves the problem of determining representation in majority decision making. If the majority were based on one-IP-address-one-vote, it could be subverted by anyone able to allocate many IPs. Proof-of-work is essentially one-CPU-one-vote. The majority decision is represented by the longest chain, which has the greatest proof-of-work effort invested in it. If a majority of CPU power is controlled by honest nodes, the honest chain will grow the fastest and outpace any competing chains. To modify a past block, an attacker would have to redo the proof-of-work of the block and all blocks after it and then catch up with and surpass the work of the honest nodes. We will show later that the probability of a slower attacker catching up diminishes exponentially as subsequent blocks are added.

工作量证明机制还解决了谁是大多数的问题。如果决定大多数的方式是基于IP地址的，即一IP地址一票，则该机制将被能够分配大量IP地址的人所破坏。而工作量证明机制的本质则是一CPU一票。大多数人的决定被表达为最长的链，因为最长的链包含了最大的工作量。如果大多数的CPU为诚实的节点控制，那么诚实的链条将以最快的速度延长，并超越其他的竞争链条。如果想要对以往的区块进行修改，攻击者必须完成该区块以及其后所有区块的工作量证明，然后才能赶上和超越诚实节点的工作量。我们将在后面说明，当随后的块不断增加时，一个较慢的攻击者追赶上的概率将呈指数级递减。

To compensate for increasing hardware speed and varying interest in running nodes over time, the proof-of-work difficulty is determined by a moving average targeting an average number of blocks per hour. If they're generated too fast, the difficulty increases.

随着时间的推移，为了应对硬件速度的日益增长以及网络中各个节点参与的不同利益，工作量证明的难度以平均每小时出块数作为波动平均值。如果每小时的出块数太快，将增加工作量证明的难度。

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相应的音频，已发布到喜马拉雅“解读区块链白皮书”上，欢迎收听。

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