区块链共识机制之POW算法
区块链技术中的共识算法及其原理
区块链技术中的共识算法及其原理随着区块链技术的发展，共识算法成为了其中的重要组成部分。
区块链的共识算法解决了分布式系统中的一致性问题，确保了网络中各个节点对于交易记录的一致认同，保障了区块链的安全和可信度。
在本文中，我们将介绍几种常见的区块链共识算法及其原理。
1.工作量证明（Proof of Work，PoW）工作量证明是目前最为常用的共识算法之一，也是比特币所使用的共识机制。
其原理是通过节点完成一定量的计算工作来解决一个数学难题，将解题的难度设定在一个很高的水平上。
当一个节点解出这个难题后，便可以发布自己所挖到的区块，并获得一定数量的奖励。
其他节点会对该区块进行验证，验证通过后会接受并将其添加到区块链中。
由于该算法需要大量的计算力，因此比特币网络中拥有最多算力的节点将成为区块链网络的控制者。
2.权益证明（Proof of Stake，PoS）权益证明是另一种常见的共识算法，它与工作量证明有所不同。
在权益证明中，节点的产生权重是根据其拥有的代币数量来分配的，即拥有更多代币的节点具有更大的产生权重。
相比于工作量证明，权益证明更加节约能源，并且减少了对于计算资源的竞争。
由于权益证明中没有矿工的角色，所以不需要进行挖矿，而是通过轮流出块的方式来决定谁可以添加下一个区块。
权益证明也可以进一步分为多种不同的变种。
3.权益证明和工作量证明的结合（Proof of Stake and Proof of Work，PoS/PoW）为了充分发挥权益证明和工作量证明的优势，一些区块链项目将两种算法进行了结合。
具体来说，权益证明用于选举出验证者，而工作量证明用于选举出出块者。
这样可以在一定程度上克服每种共识算法的缺点，提高整个区块链网络的安全性和效率。
4.权益证明和古典共识（Proof of Stake and Classical Consensus）除了前面提到的共识算法外，还有一种将权益证明和古典共识机制相结合的算法。
共识算法之POW
共识算法之POW共识算法是区块链技术的核心概念之一，用于解决分布式系统中节点达成一致的问题。
其中，工作量证明（Proof-of-Work，简称POW）是最早提出和应用的一种共识算法。
本文将详细介绍POW共识算法的定义、原理、优缺点以及应用场景。
一、定义POW是一种通过节点完成一定计算任务来参与共识的算法，也被称为“挖矿”。
该算法要求节点通过计算一些数值的哈希值，使得哈希值满足一定的条件，如小于一个指定的值。
最先完成任务的节点将获得奖励，并且其提出的区块将被其他节点接受和添加到区块链中。
二、原理POW算法的核心思想是通过消耗大量的计算资源完成任务，以此来保证区块链网络的安全性和一致性。
其具体步骤如下：1.获取上一个区块的哈希值；2. 选取一个随机数（Nonce）；3.将上一步的随机数和上一区块哈希值组合成一个新的字符串；4.对新的字符串进行哈希运算，得到哈希值；5.判断哈希值是否符合一定条件，如果符合则完成任务，否则返回步骤2继续尝试；6.完成任务后，将新区块添加到区块链中。
三、优点1.安全性高：POW算法要求节点完成大量计算任务，攻击者需要控制全网超过一半的计算能力才能攻破系统，从而保障了区块链的安全性。
2.公平性：任何节点都有机会成为提交新区块的节点，不会产生中心化的问题。
3.成本高：POW算法需要大量电力和计算资源，这使得攻击成本高昂。
同时，投资大量资源的节点有更高的几率获得区块奖励，这也激励了节点参与共识过程。
四、缺点1.能源浪费：POW算法耗费大量电力进行计算，对环境不友好，亦有可能过度依赖煤炭等传统能源。
2.中心化倾向：POW算法导致算力集中在少数大型矿池中，有可能出现中心化问题，而矿池的运行也不够透明公正。
3. 低效率：进行POW算法确认一个区块需要通过不断尝试不同的Nonce值，进行哈希计算，效率较低。
五、应用场景1.区块链：比特币是最早应用POW共识算法的区块链项目，其通过对区块头进行哈希计算，保证每个区块都是经过验证和共识的。
pow的哈希算法
pow的哈希算法Pow的哈希算法是一种基于工作量证明（Proof of Work）的哈希算法，它是比特币等加密货币所采用的共识机制之一。
Pow的哈希算法的核心思想是通过计算机的计算能力来解决网络中的共识问题，从而保证网络的安全性和可靠性。
Pow的哈希算法的实现过程如下：首先，网络中的节点需要通过计算来寻找一个特定的哈希值，这个哈希值需要满足一定的条件，比如说必须以一定数量的0开头。
这个过程需要耗费大量的计算能力，因此被称为“挖矿”。
当一个节点找到了符合条件的哈希值后，它就可以将这个哈希值广播给整个网络，其他节点可以通过验证这个哈希值的正确性来确认这个节点的工作量，并将其添加到区块链中。
由于计算哈希值的过程需要耗费大量的计算能力，因此节点需要支付一定的费用来激励其他节点参与挖矿，这个费用就是所谓的“区块奖励”。
Pow的哈希算法的优点在于它可以有效地防止网络中的恶意节点攻击，因为攻击者需要掌握网络中超过50%的计算能力才能够对网络进行攻击，这是非常困难的。
此外，Pow的哈希算法还可以保证网络的去中心化，因为任何人都可以参与挖矿，而不需要依赖于中心化的机构或者组织。
然而，Pow的哈希算法也存在一些缺点。
首先，它需要耗费大量的计算能力来进行挖矿，这不仅会导致能源的浪费，还会对环境造成一定的影响。
其次，由于挖矿需要支付一定的费用，因此它也会导致网络中的财富不平等问题，即拥有更多计算能力的节点会获得更多的区块奖励，从而进一步扩大财富差距。
综上所述，Pow的哈希算法是一种基于工作量证明的哈希算法，它可以有效地保证网络的安全性和可靠性，但也存在一些缺点。
随着区块链技术的不断发展，未来可能会出现更加先进的共识机制来取代Pow 的哈希算法，从而进一步提高区块链的性能和可靠性。
共识算法之POW
共识算法之POW简介POW是proof-of-work的缩写，中译为：⼯作量证明，是⽐特币中采⽤的共识机制，也被许多公有区块链系统所采⽤（⽐如以太坊）。
⼯作量证明机制基础是哈希运算，因此要理解pow⾸先要明⽩哈希函数（⽐特币⼤量采⽤了sha256，以及rimped160）。
本篇⽂章重点介绍pow共识算法的原理，不具体介绍⽐特币的相关细节。
什么是哈希函数？哈希运算是密码学的重要组成部分，⼀般⽤来保护数据的完整性。
给定⼀段消息，通过哈希函数可以将消息映射为固定长度的哈希值（⽐如sha256，将任意长度的消息映射为256位的哈希值）。
哈希函数具有两个重要的特点：“⽆碰撞“和”不可逆“。
1. 所谓不可逆，就是当你知道x的HASH值，⽆法求出x；因此哈希函数在数学上是⼀种单向函数。
2. 所谓⽆冲突，就是当你知道x，⽆法求出⼀个y，使x与y的HASH值相同。
简单来说就是，⽆法找到⼀个不同的消息y，使得y的哈希值与x 的哈希值相同。
（当然，因为消息的⽐特空间 << 所求哈希值的⽐特空间，因此其实这样的y是存在的，只是这样的y很难找，只是⼀个概率上的不可能）哈希函数的应⽤从哈希函数的特性我们可以看出，当x被改变时，x所对应的哈希值也会发⽣改变，因此可以通过⼀段消息的哈希值是否改变来间接反应消息是否被修改，也就是我们说的数据完整性验证。
（当然这个⼀般还要也公钥密码体制相结合来使⽤，这⾥不解释公钥密码体制，⾃⾏google）。
### 在⽐特币中的使⽤⽐特币主要使⽤了sha256哈希函数，有三个⽤途：1. ⽐特币地址是公钥的两次sha256运算结果2. 保证每笔交易的完整性3. pow⼯作量证明机制的基础⽐特币共识算法pow⼯作量证明机制，我们从“⼯作量”和“证明”两个概念上来理解pow。
1. 什么是⼯作量？⽐特币⼀直被⼈诟病做了⼤量⽆意义的运算，耗费了巨量的电能。
这⾥的运算就是⽐特币共识机制中的⼯作量，⽽这个运算就是哈希运算。
P r o o f - o f - S t a k e 区 块 链 共 识 算 法
区块链共识算法(1)POW,POS,DPOS区块链共识算法(1)POW,POS,DPOS区块链共识算法(1)POW,POS,DPOS1.PoW：Proof of Work1.2PoW优缺点1.3应用平台2.PoS：Proof of Stake2.2PoS优缺点2.3应用平台2.4 PoS与PoW3.DPoS：Delegated Proof of Stake3.2 优缺点1.PoW：Proof of Work比特币在Block的生成过程中使用了PoW机制，一个符合要求的Block Hash由N个前导零构成，零的个数取决于网络的难度值。
难度的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。
每2016个区块，所有节点都会按统一的公式自动调整难度，这个公式是由最新2016个区块的花费时长与期望时长（期望时长为20160分钟即两周[20160-60-24=14day]，是按每10分钟一个区块的产生速率计算出的总时长）比较得出的，根据实际时长与期望时长的比值，进行相应调整（或变难或变易）。
也就是说，如果区块产生的速率比10分钟快则增加难度，比10分钟慢则降低难度网络的难度值可以用下面的公式计算:新难度值 = 旧难度值 * ( 过去2016个区块花费时长 - 20160 分钟 )工作量证明需要有一个目标值。
比特币工作量证明的目标值（Target）的计算公式如下：目标值 = 最大目标值 - 难度值其中最大目标值为一个恒定值：0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF FFFFFFF目标值的大小与难度值成反比。
比特币工作量证明的达成就是矿工计算出来的区块哈希值必须小于目标值哈希函数产生的 hash 值是随机的, 而且对原始数据一个很小的改动就能使得 hash 值和之前完全不一样.，为了能得到一个合法的区块, 我们可以往区块里添加一个冗余的整数 nonce, 通过不断地尝试不同的 nonce 来找到合法的区块 (例如可以从 1 开始不断地累加尝试)。
POW——区块链共识算法
POW——区块链共识算法POW（Proof of Work，工作量证明）是一种区块链共识算法，用于解决去中心化网络中的双重花费和篡改问题。
本文将详细介绍POW算法的原理、应用和优缺点。
一、POW算法原理POW算法的核心思想是通过消耗一定的计算量和资源来证明一些节点在网络中执行了一定的工作。
具体而言，当一个节点想要提交一个新的交易或区块时，需要解决一个难题，即找到一个合适的随机数（Nonce）使得经过哈希计算以后的结果满足一定的条件。
这个条件通常是要求哈希结果的前几位是0。
因为哈希函数的不可预测性，所以只能通过不断尝试不同的随机数来找到符合条件的结果。
而找到这个结果需要大量的计算量和时间。
二、POW算法应用1.比特币比特币是最早采用POW算法的区块链项目之一、比特币的POW算法基于SHA-256哈希函数，要求哈希结果的前几位是0。
矿工通过竞争来解决这个工作量证明问题，第一个找到符合条件的Nonce的矿工即可获得记账权，并获得一定数量的比特币作为奖励。
2.以太坊以太坊也采用了POW算法作为其共识机制，但与比特币不同的是，以太坊的POW算法是基于Ethash函数。
Ethash函数结合了内存和计算之间的平衡，旨在提高算法的ASIC抗性，从而防止矿机垄断。
三、POW算法优缺点1.优点（1）安全性高：POW算法通过消耗大量的计算资源来保证网络的安全性，攻击者需要掌握网络51%的计算资源才能进行双花攻击。
（2）去中心化：POW算法通过竞争来选择记账人，无需中心化机构的参与，实现了去中心化。
2.缺点（1）能源浪费：POW算法需要大量的计算资源和能源来进行计算，因此被批评为能源消耗高、不环保。
（2）算力集中：随着比特币和以太坊等主流区块链项目的发展，矿机垄断成为现实。
拥有大量算力的少数矿工往往能够垄断记账权，导致网络的去中心化程度下降。
四、POW算法的未来发展随着区块链技术的发展，人们对POW算法的能源消耗和环保性提出了质疑。
区块链中的共识机制
区块链中的共识机制区块链是一种分布式账本技术，由于其去中心化的特点，需要通过共识机制来保证其安全性和一致性。
共识机制是指在一个网络中，所有参与者通过共同协议达成一致意见的过程。
本文将介绍区块链中常见的共识机制及其优缺点。
1. 工作量证明（Proof of Work，PoW）工作量证明是比特币等区块链的原始共识算法，也是目前应用最广泛的共识机制之一。
PoW 机制是指网络中的节点需要计算特定难度的哈希值来解决一个数学问题，也就是在竞争计算效率的同时保证交易记录的安全与完整性。
由于需要大量的计算资源，因此 PoW机制需要巨大的能量开销和时间成本，已经成为了比特币等区块链的标志性特征。
优点： PoW 机制能够有效避免 51% 攻击，即攻击者需要掌握网络中超过 50% 的运算能力才能够攻击，具有强的安全性。
同时 PoW 机制能够保证网络中的数据不可篡改，因此得到了越来越多的信任和应用。
缺点： PoW 机制需要大量的计算资源和电能支出，因此不仅功耗巨大，而且产生的碳排放也会对环境造成一定的负面影响。
另外，PoW 机制的交易速度较慢，需要等待一定时间才能确认一个交易，不利于高频交易。
2. 权益证明（Proof of Stake，PoS）权益证明是一种新型的共识机制，以太坊等一些区块链正在逐步采用。
PoS 机制是指节点的权益大小会直接影响到被选为记账节点的概率，权益越大，被选中的概率也越大。
它有多个版本，但大体操作方式为：节点需要锁定一定数量的代币，并且保证不进行大规模的交易或注销代币，才能够达成共识。
优点： PoS 机制能够避免大量的计算资源和电能开销，代币的持有者可以通过积累足够多的代币获得记账权，进而获得利润。
另外，PoS 机制能够提高交易速度，并且不会有矿工中心化等问题。
缺点： PoS 机制容易出现代币过度集中的问题，一旦某个持有者拥有了网络中很大一部分的代币，他就能够一定程度上掌控网络的决策，破坏去中心化的理念。
区块链共识机制原理：PoW、PoS、DPoS等解析
区块链共识机制原理：PoW、PoS、DPoS等解析区块链共识机制是确保分布式网络中所有节点对交易和区块的一致性达成共识的一种算法或协议。
以下是一些常见的区块链共识机制及其原理：工作量证明（Proof of Work，PoW）：原理： PoW机制要求节点在找到一个符合一定条件的随机数（称为“工作量”）之前，通过不断尝试计算，投入大量的计算能力。
找到符合条件的随机数的节点将成为区块的创建者，且其工作能力即“工作量”被证明有效。
优点：安全性高，抵御攻击的难度大。
缺点：能源消耗大，效率低下。
股权证明（Proof of Stake，PoS）：原理： PoS机制中，节点被选中创建新区块的概率与其持有的加密货币数量有关。
节点越拥有的加密货币越多，被选中的几率就越大。
优点：能源消耗低，相对环保，激励长期持有。
缺点：可能存在“富者愈富”的问题，即持有越多加密货币的节点越容易被选中，引发中心化风险。
委托权益证明（Delegated Proof of Stake，DPoS）：原理： DPoS是PoS的一种改进，通过让持币者投票选出一定数量的代表节点，这些节点负责验证和打包区块。
这减少了出块的节点数量，提高了交易速度。
优点：交易速度快，相对于PoW和PoS更为灵活。
缺点：可能存在选举过程中的投票不平等和一些节点可能集中权力的问题。
权益证明（Proof of Stake，PoSpace）：原理： PoSpace引入了存储空间作为权益证明的基础。
节点需要证明它们存储了一定量的数据，通过这种方式来达成共识。
优点：利用了存储资源，相对环保。
缺点：难以证明存储的内容是有价值的。
实用权益证明（Proof of Useful Work，PoUW）：原理： PoUW要求节点进行对社会有益的工作，通过证明其工作的实际用途来获取权益。
这可能涉及到分布式计算、科学研究等。
优点：鼓励社会有益的工作。
缺点：难以定义“有用”的工作，容易受到滥用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Technology Analysis
技术分析
DCW
81
数字通信世界
2019.03
1 工作量证明的原理
POW 是区块链主流共识算法：工作量证明POW 、权益POS 、
股份授权证明DPOS 中一种，是由算力决定区块的记账权归属那个节点所有，那个节点先算出哈希函数的下一个随机数数值，得到收益，即俗称的“挖矿”。
例如以下的区块链中一个区块的基本结构：Summary
Number Of Transactions 2Output Total 10BTC Estimated Transaction V olume 0BTC Transaction Fees 0BTC
Height 780890（Main Chain ）
Timestamp 2018-12-28 09：10：20Received By 2018-12-28 09：
10：20Relayed By AntPool Difficulty 9，890，231，384，872.65……
Nonce 3670855786Block Reward 10BTC
以上区块信息中“Nonce ”就是这个随机数，各个节点通过算力计算出下一个区块的Nonce ，即拥有该区块记账打包的权利，并获得Block Reward 。
2 工作量证明函数
POW 采用SHA256对区块头做双重运算，而SHA256是单向函数，所以结果很难计算出来。
节点在挖矿过程中，当随机生成的Hash 值小于难度值则挖矿成功，例如以下节点挖矿的函数：
func （pow *ProofOfWork ）Run （）（[]byte ，int64）{ nonce ：=0
var hashInt big.Int var hash[32]byte for {
dataBytes ：=pow.prepareData （nonce ） hash=sha256.Sum256（dataBytes ）
fmt.Printf （“\r%x ：
”，hash ） hashInt.SetBytes （hash[：
]） if pow.diff.Cmp （&hashInt ）==1 { break }
nonce=nonce+1 }
return hash[：]，int64（nonce ）
在以上函数中，当hashInt 小于Block 里面的target ，则跳出
循环，输出计算得出的nonce 数值，
即挖矿成功，得到挖矿的收益。
3 工作量证明过程
3.1 创始区块
区块作为区块链存储结构中的数据元素，收尾相接促成单向
链式存储结构，第一个元素为创始区块，包块共识机制的设置，出块时间，矿工收益等初始参数设置。
例如以下为一个区块的创始区块：
{
“config ”
：{ “chainId ”：
666， “homesteadBlock ”：1， “eip150Block ”：
2， “eip150Hash ”：”0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000”，
“eip155Block ”：3， “eip158Block ”：
3， “byzantiumBlock ”：
4， “ethash ”
：{} }，
“nonce ”
：”0x0”， “timestamp ”：”0x5b4ee860”
， “extraData ”：”0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000”，
“gasLimit ”：”0x989680”， “difficulty ”：”0x80000”
， “mixHash ”
：”0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000”，
“coinbase ”：”0x0000000000000000000000000000000000000000”，
“alloc ”：
{ “e8f0b72b5fd9fe7a926a346fe209acd1268b3533”：
{ “balance ”：”2500000000000000000000000000” }}，
“number ”：”0x0”，“gasUsed ”：”0x0”
，“parentHash ”：”0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000”
}
3.2 生成铸币交易
……
CMutableTransaction coinbaseTx ；
coinbaseTx.vin.resize （1）
； coinbaseTx.vin[0].prevout.SetNull （）
； coinbaseTx.vout.resize （1）
；……注释：coinbaseTx 新建一铸币交易对象。
3.3 调整Nonce 数值
采用SHA256对区块头做双重运算，当节点计算出的随机数小于小于设置的难度值时，则挖矿成功。
区块链共识机制之POW 算法
程 瑶1，高丽芬1，胡全贵2
（1.中国矿业大学（北京），北京 100000；2.北京国网信通埃森哲信息技术有限公司，北京 100000）
doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.03.061
中图分类号：
TP311.13 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）03-0081-01。