一、引子

8月5日，夏日炎炎，3年級一班的小明百無聊賴，正在做數(shù)學(xué)暑假作業(yè)。眼前出現(xiàn)了一道附加題，讓小明丈二和尚摸不著頭腦——“X^2-22X+130=9，求X”。小明剛剛學(xué)過一元一次方程，這種一元二次方程（事實上他還根本不知道什么是二元一次方程）超出了所學(xué)教材的范圍，他還不知道怎么解答，抓耳撓腮，不知怎么辦。

百思不得其解后，小明想到了一種笨笨的方法——從自然數(shù)1開始，一個一個帶入等式左邊去嘗試。于是，

X=1，左邊不等于右邊

X=2，左邊不等于右邊

X=3，左邊不等于右邊

……

X=11，左邊=右邊。

于是，小明得到了答案，X=11。

小明的故事，將對我們通俗理解工作量證明，有很大的幫助作用。他解題的方法，有一個特點：求解通過正向代入嘗試的方法進(jìn)行的，而沒有通過倒推的方式求解X（雖然倒推的解題過程更高效，但他不會）。

二、工作量證明及其機(jī)理

工作量證明的想法于 1993 年就出現(xiàn)了。所謂工作量證明（Proof of Work / PoW），簡單理解就是一份證明，用來確認(rèn)節(jié)點做過一定量的工作，誰的工作量足夠多，誰就能獲得相應(yīng)的獎勵。

區(qū)塊鏈中最早應(yīng)用工作量證明的，就是比特幣挖礦了，挖礦的過程是通過求解哈希函數(shù)進(jìn)行的。

什么是哈希函數(shù)（也成為散列函數(shù)）呢？

它給定一個輸入值x，通過一個固定的規(guī)則，會對應(yīng)產(chǎn)生F(x)[即哈希結(jié)果]。

如果我們知道F(x)，想求解X，只能和小明一樣，通過逐個嘗試運算的方法去解答，而不能倒推。

當(dāng)然，僅僅這樣理解哈希函數(shù)，是有所偏差的。哈希函數(shù)與小明解題，有不同之處。

小明所解的題，是可以通過倒推來直接算出答案的，他只是因為不懂，才不得已通過嘗試的方法去解答。但哈希函數(shù)從理論上和設(shè)計上，就沒有倒推的可能，所有人只能通過不斷嘗試去找答案。

由于找到X有獎勵（比特幣），所以對于同一個F(x)[哈希結(jié)果]，可能會有許多人在同時進(jìn)行運算嘗試。誰先找到這個x，獎勵就歸誰。

這就是工作量證明：如果你達(dá)到了某一項任務(wù)的目的（與哈希結(jié)果F（x）對應(yīng)成功），那么就會被認(rèn)為做出了一定的工作量（像小明一樣反復(fù)嘗試了很多次）。誰先達(dá)到目的，基本可以認(rèn)為誰的工作量大，按照工作量證明的原則，誰就應(yīng)該獲得獎勵。

有人會問，如果小明沒有按自然數(shù)順序進(jìn)行嘗試，只是隨便找個數(shù)代入，他也可能因為運氣好，第一次就發(fā)現(xiàn)了11是答案啊。如果另一個人按照順序代入嘗試，那肯定會比小明后找到答案，這樣，小明的工作量小，但找到了答案獲得了獎勵，工作量證明不就失效了嗎？

的確如此，不過這個問題可以通過提高解題難度來解決。

小明解的題，需要的工作量很小，如果從1開始按順序試自然數(shù)，只需要11次就可以成功，所以小明碰巧找到答案的概率是很高的。但哈希函數(shù)與這道題的難度根本不在一個量級上。哈希結(jié)果通常是以n個0開頭的16進(jìn)制字符串，0的個數(shù)越多，求解X的難度越大。例如，如果一個哈希結(jié)果以4個0開頭，那么，我們需要大約4251次計算才能找到對應(yīng)的答案，通過偶然發(fā)現(xiàn)找到正確答案的概率極低。如果增加零的數(shù)量，難度會上升，而且上升速度極快，相應(yīng)地，依靠運氣解答的概率也會迅速下降，幾乎可以忽略不計。

這種情況下，如果誰先找到哈希函數(shù)的答案，那么，我們幾乎可以肯定，他所做的工作量比其他人要多。難度到達(dá)一定級別，這個論斷正確的可能性就接近100%了。

三、對工作量證明認(rèn)識的誤區(qū)

從上面的例子我們可以看出，工作量證明其實并非通過直接度量所有人的工作量然后進(jìn)行比較，而是通過工作結(jié)果（尋找X）合理推測工作量的多少（即先找打答案的人，工作量是最多的），并且這種推測是建立在概率基礎(chǔ)上的，并非100%正確。通過提高難度，我們可以提出運氣成分，使這一推測的正確概率接近100%。

而且，工作量證明并不是簡單的推測所有工作量，而是推測所有有效工作量。如果礦工去打了5次籃球，這并不會被算作他的工作量。

四、工作量證明的優(yōu)缺點

通過對工作結(jié)果進(jìn)行認(rèn)證，來證明完成了相應(yīng)的工作量，是一種非常高效的方式。這是工作量證明的一大優(yōu)點。試想，如果有1000個人在解答開頭有4個0的哈希結(jié)果，那么，如果直接記錄每個人的工作量，我們需要對所有人進(jìn)行監(jiān)測記錄，記錄結(jié)果多達(dá)4251000條。而如果通過結(jié)果進(jìn)行認(rèn)證，就只需要記錄一次（即誰最先找到了答案）就可以了。

但工作量證明也有缺點，最讓人頭疼的就是資源浪費。求解哈希函數(shù)，因為難度極高，所以需要大量計算機(jī)不停工作，耗費的電力也極多。僅僅以2015年的數(shù)據(jù)來看，一個比特幣交易就需要消耗和1.57 個美國家庭 一天一樣多的用電。到了2017年，一筆交易已經(jīng)要耗費一個家庭一周的用電。根據(jù)專家預(yù)測，到2020年，比特幣交易可能會消耗和丹麥一樣多的電力。這是一個極其嚴(yán)重的問題，也正是因為如此，一批幣圈人士開始探索新的共識機(jī)制。

五、日常應(yīng)用

工作量證明的機(jī)理，雖然我們聽起來新鮮。但它在生活中的應(yīng)用卻無處不在，幾乎所有人都經(jīng)歷過。

比如畢業(yè)證。一個大學(xué)生被授予本科畢業(yè)證，需要學(xué)習(xí)一定量的課程，積累一定量的知識。但這個過程并不需要學(xué)校指派一名監(jiān)工去跟蹤你4年的大學(xué)生活。而是通過你的畢業(yè)論文和各科成績是否合格來進(jìn)行合理推測。如果各科成績和論文都達(dá)到了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，基本可以推測，你完成了相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，因而授予畢業(yè)證。此外，像其他證件，比如駕駛證、從業(yè)資格證、職稱評定等等，都是如此。

所以，工作量證明一直存在于我們的日常生活中。即使你是對區(qū)塊鏈一知半解的幣友，對這個概念也無需恐懼。撕開“工作量證明”的內(nèi)衣，你會發(fā)現(xiàn)，其實它并不神秘。