什麼是工作量證明以及挖礦為何存在

工作量證明的核心機制

1. PoW 要求節點在向區塊鏈添加新區塊之前執行計算密集型任務。

2. 每次嘗試都涉及使用可變隨機數對區塊頭進行雜湊處理，直到輸出滿足預先定義的難度目標。

3. Bitcoin 中使用了 SHA-256 加密雜湊函數，產生固定長度的 256 位元輸出，即使輸入發生微小變化，該輸出也會發生巨大變化。

4. 找到有效的雜湊值是機率性的，不能走捷徑－只有暴力試誤才能成功。

5. 一旦發現，所有網路參與者都可以透過一次雜湊計算立即驗證該解決方案。

礦工激勵結構

1. 礦工收到新鑄造的硬幣作為首先解決難題的區塊獎勵。

2. 未確認交易所附帶的交易費用由將其包含在已驗證區塊中的礦工收取。

3. 獎勵減半事件大約每 21 萬個區塊發生一次，隨著時間的推移，基礎補貼會減少，對費用收入的依賴也會增加。

4. 礦池的出現是為了在共享計算資源的參與者之間分配獎勵支出的差異。

5. 硬體專業化－ASIC－加劇了競爭壓力，擠出了通用計算設備。

PoW 中嵌入的安全保證

1. 篡改任何歷史區塊都需要在網路其餘部分前進的同時重新計算所有後續區塊的哈希值。

2. 嘗試雙花的攻擊者必須控制一半以上的全球算力才能可靠地推翻共識。

3. 取得和運行足夠的硬體來執行此類攻擊的經濟成本超過了大多數現實場景中的潛在收益。

4. 誠實的節點總是延伸最長的有效鏈，使得重組在超過六次確認之後變得越來越不可能。

5. 無效區塊在傳播過程中，如果未通過哈希驗證或違反協議規則，將自動被拒絕。

能源強度和基礎設施現狀

1. 截至 2019 年 9 月 30 日，Bitcoin 的年用電量保守估計為 87.1 TWh，與比利時國家電網的用電量相當。

2. 採礦獲利能力直接影響設備選擇：在高利潤時期，營運商優先考慮可用性和前期成本，而不是能源效率。

3. 由於購置成本低以及獲得補貼或剩餘電源，老一代採礦設備仍能運作。

4. 採礦活動的地理分佈與地區電價、水力發電能力和監管容忍度密切相關。

5. 冷卻基礎設施、電力傳輸穩定性和實體安全構成了原始計算密度之外的採礦設施設計的基本層。

常見問題解答

Q1：PoW 是否要求礦工驗證區塊中的每筆交易？是的。礦工透過從記憶體池中選擇交易、驗證數位簽章、根據 UTXO 集有效性檢查輸入以及確保在發起哈希嘗試之前不存在雙花來建立候選區塊。

問題 2：礦工可以在其區塊中包含詐欺交易嗎？不會。網路上的節點在收到區塊後獨立驗證每筆交易；無論工作量證明是否正確，任何無效條目都會立即拒絕整個區塊。

Q3：為什麼Bitcoin每2016個區塊都會調整難度？此間隔相當於以十分鐘區塊間隔運行的大約兩週。儘管網路總算力發生波動，難度重新校準仍能保持一致的區塊生產時間。

Q4：Bitcoin區塊頭中的nonce欄位總是32位元長嗎？是的，隨機數正好佔用 4 個位元組。當耗盡時，礦工修改 coinbase 交易的 extranonce 或時間戳以產生新的標頭組合，而不改變交易內容。