谈起比特币，大家至少都应该有所耳闻吧？比特币是基于区块链实现的，而区块链运行在Internet上，这就存在有人试图作恶的情况。
前面几章，我提到的口信消息解决方案和PBFT算法，虽然能防止坏人作恶，但只能防止少数，也就是 (n-1)/3 个坏人 (其中 n 为节点数)。可由于很多区块链是在公网环境，可能有坏人不断增加节点数，轻松突破 (n - 1) / 3 的限制。
解决上述问题的方法就是PoW算法。PoW算法通过*工作量证明（Proof of Work）*增加了坏人作恶的成本，以此防止坏人作恶。本章，我就来讲讲PoW算法的原理。
一、工作量证明
什么是工作量证明 (Proof Of Work，简称PoW) ？你可以这么理解：就是一份证明，用来确认你做过一定量的工作。比如，你的大学毕业证书就是一份工作量证明，证明你通过 4 年的努力完成了相关课程的学习。
那么，回到计算机世界，具体来说就是，客户端需要做一定难度的工作才能得出一个结果，验证方却很容易通过结果来检查出客户端是不是做了相应的工作。
比如小肖去Google面试，说自己的编程能力很强，那么她需要做一定难度的工作（比如做个算法题）。根据做题结果，面试官可以判断她是否适合这个岗位。这就是一个现实版的工作量证明。具体的工作量证明过程，就像下图中的样子：
1.1 哈希运算
既然工作量证明是通过指定的结果，来证明自己做过了一定量的工作。那么在区块链的 PoW 算法中需要做哪些工作呢？答案是 哈希运算 。
哈希运算的核心是哈希函数（Hash Function），也叫散列函数。就是说，你输入一个任意长度的字符串，哈希函数会计算出一个哈希值。比如，我们对任意长度字符串（比如"tutuxiao"）执行 SHA256 哈希运算，就会得到一个 32 字节的哈希值，就像下面的样子：
$ echo -n "tutuxiao" | sha256sum
bb2f0f297fe9d3b8669b6b4cec3bff99b9de596c46af2e4c4a504cfe1372dc52
那么我们如何通过哈希运算来证明工作量呢？
举个例子，我们给出的工作量要求是：基于一个基本的字符串（比如"tutuxiao"），在这个字符串后面添加一个整数值，然后对变更后的字符串进行 SHA256 哈希运算，如果运算后得到的哈希值（16 进制形式）是以"0000"开头的，就验证通过；为了达到这个工作量证明的目标，我们需要不停地递增整数值，对得到的新字符串进行 SHA256 哈希运算。
按照这个规则，我们需要经过 35024 次计算，才能找到恰好前 4 位为 0 的哈希值：
"tutuxiao0" => 01f28c5df06ef0a575fd0e529be9a6f73b1290794762de014ec84182081e118e
"tutuxiao1" => a2567c06fdb5775cb1e3ce17b72754cf146fcc6da75c8f1d87d7ab6a1b8c4523
...
"tutuxiao35022" =>
8afc85049a9e92fe0b6c98b02b27c09fb869fbfe273d0ab84ad8c5ac17b8627e
"tutuxiao35023" =>
0000ec5927ba10ea45a6822dcc205050ae74ae1ad2d9d41e978e1ec9762dc404
通过上面这个示例可以看到，工作量证明就是通过执行哈希运算，经过一段时间的计算后，得到符合条件的哈希值。在实际场景中，我们可以根据场景特点，制定不同的规则，比如，你可以试试分别运行多少次，才能找到恰好前 3 位和前 5 位为 0 的哈希值。
二、区块链
区块链也是通过 SHA256 执行哈希运算，通过计算出符合指定条件的哈希值，来证明工作量的。因为在区块链中，PoW 算法是基于 区块链中的区块信息 来进行哈希运算的。
区块链的区块，是由区块头、区块体 2 部分组成的：
- 区块头（Block Head）： 区块头主要由上一个区块的哈希值、区块体的哈希值、4 字节的随机数（nonce）等组成的，共80 字节固定长度；
- 区块体（Block Body）： 区块包含的交易数据，其中的第一笔交易是 Coinbase 交易，这是一笔激励矿工的特殊交易。
在区块链中，给出的工作量要求是： 对区块头执行 SHA256 哈希运算，得到的结果再执行一个哈希运算，计算出的哈希值，只有小于目标值（target），才是有效的 。
计算出符合条件的哈希值后，矿工就会把这个信息广播给集群中所有其他节点，其他节点验证通过后，会将这个区块加入到自己的区块链中，最终形成一串区块链，就像下图的样子：
从上面这种工作量证明要求可以看出，算力越强，系统大概率会越先计算出这个哈希值。这也就意味着， 攻击者能挖掘一条比原链更长的攻击链，并将攻击链向全网广播。而按照约定，节点将接受更长的链，也就是攻击链，丢弃原链。就像下图的样子：
这样的话，按照比特币的区块链约定——“最长链胜出，其它节点在这条链基础上扩展”，那么如果坏人们掌握了 51% 的算力，就通过优势算力实现对最长链的争夺，也就是发起 51% 攻击，实现双花（Double Spending）。
即使攻击者只有 30% 的算力，他也有可能连续计算出多个区块的哈希值，挖掘出更长的攻击链，发动攻击； 另外，即使攻击者拥有 51% 的算力，他也有可能半天无法计算出一个区块的哈希值，也就是攻击失败。也就是说，能否计算出符合条件的哈希值，有一定的概率性，但长久来看，攻击者攻击成功的概率等同于攻击者算力的权重。
三、总结
PoW算法，属于拜占庭容错算法中的一种，能容忍一定比例的作恶行为，所以它在相对开放的场景中应用广泛，比如公链、联盟链。而非拜占庭容错算法（比如 Raft）无法对作恶行为进行容错，主要用于封闭、绝对可信的场景中，比如私链、公司内网的 DevOps 环境。
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