PoW工作量證明機制是什麼?PoW算力挖礦有什麼優缺點?

最後更新:2022-07-21

PoW-工作量證明機制

比特幣、以太幣是相當知名的加密貨幣(虛擬貨幣),這兩者在運作時都使用了工作量證明(PoW)機制,但可能造成挖礦非常耗能源、浪費硬體資源與電力,

撰文當下,你可能曾經聽到許多加密貨幣礦工與礦場大量買進顯示卡,導致挖礦用的顯示卡的價格漲得很高,甚至供不應求,

另外許多電費便宜的地方(如冰島),則成立巨大的礦場,耗費大量電力與算力作挖礦,這都是PoW機制的問題。

以太幣ETH已經宣佈要改成採用權益證明(PoS)機制

這些PoW、PoS機制分別是什麼意思呢?

本篇市場先生介紹工作量證明(PoW)機制,分為以下幾個部分:

PoW工作量證明機制是什麼意思?

通常只要提到區塊鏈,大家一定會想到挖礦這個詞,那麼為什麼要去挖礦呢?

首先我們要瞭解幾個專有名詞,區塊鏈、分散式帳本、共識機制、挖礦的關係。

區塊鏈是透過點對點(P2P)運行的網路,這個網路由分散式節點組成,可以把它想成是共享的數據庫,也就是分散式帳本(DLT),分散式帳本技術是一種去中心化的帳本,儲存著網路上進行的所有交易。

  • 中心化帳本:也稱為集中式帳本,由一個中心化的機構去做驗證、記帳、訂立規則。
  • 去中心化帳本:也稱為分散式帳本,驗證、記帳、訂立規則是分散的,所有參與的用戶都可去驗證,而且人人都是監督者。

共識機制帳本

每個區塊鏈都運行在一個共識機制上,共識機制是網路中所有節點的協議,

在像比特幣、以太坊這種去中心化區塊鏈的生態系統中,任何加密交易都需要透過共識機制來驗證真實性,才能成為鏈上的一部分。

共識機制有高難度的協議程式碼,可以使去中心化系統中的節點安全運作,也能保護區塊鏈網路免受駭客惡意行為的侵害,

而大多數公共區塊鏈網路使用的共識機制為工作量證明(PoW)、權益證明(PoS)這兩種。

也就是說,PoW(Proof of Work )是區塊鏈中的一種共識機制,
它的目的是在區塊鏈架構中協助底下幾件事:

  • 確保交易的真實性
  • 防止有人惡意竄改帳本
  • 確認交易
  • 避免雙重支付(另稱為雙重花費、簡稱為雙花)。

PoW工作量證明機制如何運作?

PoW共識機制是區塊鏈中使用最廣泛的方法之一,最早是由比特幣(BTC)普及,你可以把它想成在這個區塊鏈中,有一群礦工透過大量消耗電腦CPU、電量、時間,來解一道稱為PoW工作量證明的數學難題。

為什麼說PoW工作量證明是個數學難題呢?前面有提到,PoW工作量證明是共識機制的一種,這是個高難度的協議程式碼,採用密碼學安全傳輸訊息的方式,達到防止篡改(不可更改)的特性。

以比特幣來說,這個區塊鏈任何人都可以加入,在比特幣網路中的人被稱為礦工,而使用電腦CPU的電力和時間來運算PoW工作量證明稱為挖礦算力挖礦

藉此開採新的區塊,終極目標是爭奪每個區塊的記帳擁有權,並取得獎勵(獲得比特幣)。

簡單來講,比特幣網路大約每10~15分鐘生成一個區塊,

這時礦工們要開始互相競爭,運用電腦CPU的運算能力去解開複雜的數學題目,這個答案是複雜的機率問題,也沒有任何公式可套用,解出來的答案會是一個隨機數值。

最先解開這個數學題的人,就會獲得下個區塊的記帳權,也會得到比特幣當獎勵。

N個礦工可以開採出X個區塊,這裡就涉及到共識機制的作用:

  1. 它不允許任何一個人或實體,控制整個區塊鏈系統。
  2. 共識機制可以保持區塊鏈更新,確保每一個被添加到區塊鏈的區塊都是真實和唯一的。

後來不同的區塊鏈架構,也衍生出使用顯示卡、甚至開發出專門做運算的礦機來挖礦,
都是為了取得工作量證明,並從中獲取獎勵,也間接維持了區塊鏈的運作。

PoW工作量證明機制有什麼優點、缺點?

PoW工作量證明機制可以有效保護區塊鏈網路免受駭客攻擊,
在網路中工作的礦工越多,對駭客的抵抗力就越高,但這種機制仍有一些優點、缺點要注意。

PoW工作量證明機制的優點:

  1. 節點可自由進入、去中心化程度高
  2. 安全性高,因破壞系統需要投入極大的成本

PoW工作量證明機制的去中心化程度高,任何人都可自由進入節點,不需透過中心化的第三人,
即可驗證交易以及防止個人或組織篡改數據庫的系統,確保了每筆交易的真實性。

另外,PoW因為依賴於計算能力,想要篡改區塊鏈必須投入極大的成本,安全性較高。

PoW工作量證明機制的缺點:

  1. 挖礦過程會消耗大量的能源
  2. 挖礦機器昂貴,最後可能越來越集中化
  3. 有遭受51%攻擊的危機

PoW工作量證明機制必須使用大量的CPU、電力運算,才能順利進行挖礦並獲得獎勵,因此這是一種非常耗費能源的方式。

為了挖掘比特幣,礦池通常會尋找電力更便宜的地方,例如冰島等電價便宜的地方。

礦工也會尋找高檔昂貴的挖礦機(例如ASIC機器),最後造成只有少數礦工才能順利挖礦,變成被大資本或大型礦場壟斷而越來越集中化。

另外PoW也有遭受51%攻擊的危機,這個意思是當一個礦工控制住全網51%以上的運算力,

代表他的計算能力強,取得記帳權的機會就越大,就可以出於自己的目的篡改、取消或更改交易,使用區塊鏈執行其他惡意操作。

但是對規模相當大的加密貨幣(例如:比特幣)來說,51%的攻擊機率較低,

因為必須讓一個礦工取得超過全網一半的運算力,所耗費的財力或挖礦設備成本可能都相當高昂,因此機率是挺低的(但如果是其他小規模的加密貨幣,51%攻擊有成功的機率)。

PoW vs. PoS

  • 工作量證明機制PoW(Proof of Work):可以想成是算力挖礦,意思就是透過消耗電腦CPU、電量、時間,來解碼PoW工作量證明(複雜的數學題目),解碼成功的人才能爭取新的區塊、獲得獎勵。
  • 權益證明機制PoS (Proof of Stake)可以想成是持幣挖礦,意思就是誰的加密貨幣多(誰的錢多),就有能力去爭取新的區塊。

前面提到,大多數公共區塊鏈網路使用的共識機制為工作量證明(PoW)、權益證明(PoS)這兩種。

因為PoW工作量證明裡,算力越高獲得記帳下一個區塊的機率與獎勵就越大,礦工會把運算力集中在一起,形成礦池(Mining Pool),依照各礦工的算力比例來分配獎勵。

但是這樣的結果讓礦工集中在礦池挖礦,反而讓區塊鏈的運算力更集中,降低了去中心化的原則。

因此有些加密貨幣開始使用權益證明(PoS),這個共識機制是透過持幣數量來當做獎勵的依據,而非PoW透過計算能力來獲得獎勵,因此不存在耗費能源的問題。

但是PoS仍存在著一些爭議,像權益證明會為囤積資金提供額外的激勵,這可能導致網路過於集中化、富者越富。

有哪些加密貨幣使用PoW機制?

PoW工作量證明機制是許多加密貨幣使用的共識機制,

底下列出幾個比較常見的加密貨幣,它們使用的就是PoW機制。

使用PoW機制的加密貨幣

加密貨幣特性介紹
比特幣(BTC)最早、最知名、市值最高的加密貨幣。
以太坊(ETH)以太坊是打造一個區塊鏈分佈的公共平台,允許開發人員在上面建構並實現去中心化的應用程式,因此上面的程式都不會受到第三方支付的控制,原本中心化的服務,都可以使用以太坊平台來進行去中心化。在以太坊(Ethereum)所使用的貨幣稱為以太幣(Ether)。
乙太坊經典(ETC)以太坊平台分叉而成的加密貨幣,是一個開源、公開,以區塊鏈為基礎的分散式計算平台。
萊特幣(LTC)創辦人為Charlie Lee,將比特幣的程式碼改良,希望能更適用於日常消費使用的加密貨幣,因而開發出萊特幣。
比特幣現金Bitcoin Cash (BCH)是比特幣的分支,與比特幣的原理大致相同,但是區塊更大、速度更快。
門羅幣(XMR)一種基於CryptoNight散列演算法的加密貨幣,具有更高的匿名性。
Binance Coin (BNB)Binance加密貨幣交易所的代幣。
狗狗幣(DOGE)一種用於小額支付的加密貨幣,交易速度快且便宜。
資料整理:Mr.Market市場先生

快速重點整理:PoW工作量證明機制是什麼?

  1. 每個區塊鏈都運行在一個共識機制上,常見的共識機制為工作量證明(PoW)、權益證明(PoS)這兩種。
  2. PoW共識機制是區塊鏈中使用最廣泛的方法之一,最早是由比特幣(BTC)普及,你可以把它想成在這個區塊鏈中,有一群礦工透過大量消耗電腦CPU、電量、時間,來解一道稱為PoW工作量證明的數學難題。
  3. 以比特幣來說,這個區塊鏈任何人都可以加入,在比特幣網路中的人被稱為礦工,而使用電腦CPU的電力和時間來運算PoW工作量證明稱為挖礦,藉此開採新的區塊,終極目標是爭奪每個區塊的記帳擁有權,並取得獎勵(獲得比特幣)。
  4. PoW工作量證明機制的優點是去中心化程度高、安全性高;缺點是挖礦過程非常耗能量,而且礦工集中在礦池可能會越來越集中化。

市場先生心得:區塊鏈領域有很多專有名詞(對,我也不知道為什麼要搞這麼多縮寫,把事情變複雜),
理解這些詞,能夠讓你更理解整個區塊鏈的運作機制以及演進。

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本文僅為觀念教學,無任何投資推薦之意。要提醒大家,虛擬貨幣屬於極高風險的投資,投資前務必研究清楚,不懂不要碰。

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編輯:Joy 主編:市場先生

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