区块链共识机制之一：POW工作量证明机制
区块链可以理解为一个不可篡改的公共账本，所有参与者都能验证交易并进行记账，即为分布式账本。那到底由谁来记账？又如何保证账本的一致性、准确性呢？也就是区块链的共识机制是如何的？
区块链的共识机制就是解决由谁来记账（构造区块），以及如何维护区块链的一致性问题。目前区块链项目采用的共识机制有多种，如：POW工作量证明机制，POS权益证明机制，DPOS股份授权证明机制等等。本文说明POW工作量证明机制。
区块链的第一个成功应用比特币系统采用的POW工作量证明机制。即以比特币系统为例说明POW机制，首先比特币系统有一套激励机制让所有参与者竞争记账的权利，即谁拥有记账权谁将获取构造新区块的比特币奖励（目前奖励为12.5比特币），同时获取新区块内所有交易的手续费作为奖励。
参与者如何竞争记账权利呢？参与者通过自己的算力计算一道数学难题，谁先计算的结果，谁就拥有了记账的权利，也就可获得构造新区块的奖励。这道数学难题就是寻找一个随机数Nonce，使得对区块头的哈希计算的结果小于目标值，Nonce本身是区块头中的一个字段，所以通过不断的尝试Nonce的值，以满足区块头的哈希计算结果小于目标值。通过动态调整目标值，即可调整计算的Nonce值的难度。
关于哈希计算Nonce的过程通常类比为掷筛子游戏，基于参与游戏的筛子的个数通过调整掷得筛子的点数可调整游戏的难度。例如：100个人参与掷筛子，总共有100个筛子，要求掷得点数为100为赢，则100个人谁先掷得点数100即为胜利者，即拥有了记账权。如果发现大家掷出100点的时间太快，则可增加难度，要求掷得点数为80为赢。如果又有100个人参与游戏，则游戏中增加了筛子数，如：筛子数增加为200个，同样通过设置掷得点数来调整游戏的难度。
筛子类似于比特币网络的算力，掷得点数类似于比特币网络可动态调整的目标值。
区块链以最长的链条视为正确的链条，如果存在同时出现两个区块，会暂时并行记录两个区块，后续再生成的区块基于其中的某一个区块，将会形成的最长的链条作为一致性的链条，另外一个区块将会被丢弃，比特币是基于6个区块的确认，所以被丢弃的区块将不会获得比特币系统的奖励，也就是白白将竞争记账权的算力（电费）浪费了。基于工作量的激励，参与者必然尽最大能力构造正确的区块，也就是满足区块链的一致性。即全网的所有用户可以达成唯一的一致性的公共账本。
目前比特币系统全网算力已达到惊人的24.75EH/s，其中1E=1000P，1P=1000T，1T=1000G，1G=1000M，1M=1000K，1K=1000，H/s为每秒一次哈希计算（哈希碰撞），也就是每秒进行24.75E次哈希计算，且仍有持续的算力加入比特币系统。比特币记账权的竞争，提供算力的硬件从CPU，GPU，专业矿机，矿池。目前单机版的专业矿机已无法竞争到记账权，必须由多台矿机组合为矿池才能竞争到记账权。
最长区块链才是正确的区块链？
什么是最长链？为什么是正确的区块链？
比特币白皮书规定，节点永远认为最长链是正确的区块链，并将持续在它上面延长。所有矿工都在最长链上挖矿，有利于区块链账本的唯一性。如果给你转账的比特币交易不记录在最长链上，你将有可能面临财产损失。
怎样算是“最长的区块链”呢？因为全世界的矿工同时在挖矿，有可能同时有2个矿工算出了正确的答案，那么区块链就会形成分叉，剩下的矿工有可能在其中任意一条分叉上继续挖矿，延长区块链。
所以我们通常要求在比特币转账被打包之后，还需要经历6个区块的确认，确保矿工不会再回到另一条分叉上挖矿时，才算真正的转账成功。
‘双花’攻击
什么是双花？
“双花”，即一笔钱被花了两次或者两次以上，也叫“双重支付”。通俗的理解，“双花攻击”（double spend attack）又叫“双重消费攻击”，即同一笔资金，通过某种方式被花费了两次，取得了超过该笔资金的服务。
在数字货币系统中，由于数据的可复制性，使得系统可能存在同一笔数字资产因不当操作被重复使用的情况。
双花是如何发生的？
众所周知，区块链节点始终都将最长的链条视为正确的链条，并持续工作和延长它。如果有两个节点同时广播不同版本的新区块，那么将在率先收到的区块基础上进行工作，但也会保留另外一个链条，以防后者变成最长的链条。等到下一个工作量证明被发现，其中的一条链条被证实为是较长的一条，那么在另一条分支链条上工作的节点将转换阵营。
双花简单说就是花两次。双花是如何实现的呢？分为两种情况：
（1）在确认前的双花。零确认的交易本来就可能最后没有写入区块链。除非小额，最好至少等确认即可规避此类双花。
（2）在确认后的双花。这就要控制超50%算力才能实施。即类似于一个小分叉，将给一个商店的交易放入孤立区块中。这种确认后双花，很难实施，只是理论上可行。
双花攻击案例
2018年曾经发生了比特币黄金（BTG）的双花攻击。BTG当时是全球第27大加密货币，流通市值为50亿人民币。2018年5月16日以来，攻击者对BTG网络成功实施了双花攻击，谋取了超过38.8万的BTG的暴利。
攻击者控制BTG网络上51%以上的算力，控制算力期间，把一定数量的BTG发给自己在交易所的钱包，这条分支我们命名为分支A。同时，又把这些BTG发给另一个自己控制的钱包，这条分支我们命名为分支B。分支A上的交易被确认后，攻击者立马卖掉BTG，拿到现金。随后，攻击者在分支B上进行挖矿，由于其控制了51%以上的算力，很快分支B的长度就超过了分支A的长度，分支B就会成为主链，分支A上的交易就会被回滚恢复到上一次的状态。攻击者之前换成现金的那些BTG又回到了自己手里，这些BTG就是交易所的损失。这样，攻击者就凭借50%以上的算力控制，实现了同一笔加密货币的“双花”。
【科普】如何选择区块链的最长链
本文由币车HIT（ biche.yaofache.com ）大V养成计划支持。
基于逐利，节点就会自发的遵守协议。共识就是数以万计的独立节点遵守了简单的规则（通过异步交互）自发形成的。
比特币没有中心机构，几乎所有的完整节点都有一份公共总帐本，那么大家如何达成共识：确认哪一份才是公认权威的总账本呢？
为什么要遵守协议
这其实是一个经济问题，在经济活动中的每个人都是自私自利的，追求的是利益的最大化，一个节点工作量只有在其他的节点认同其是有效的（打包的新区块，其他的节点只有验证通过才会加入到区块链中，并在网络上传播），才能够过得收益， 而只有遵守规则才会得到其他的节点认同。 因此，基于逐利，节点就会自发的遵守协议。共识就是数以万计的独立节点遵守了简单的规则（通过异步交互）自发形成的。
去中心化共识
实际上，比特币的共识由所有节点的4个独立过程相互作用而产生：
每个节点（挖矿节点）依据标准对每个交易进行独立验证；挖矿节点通过完成工作量证明，将交易记录独立打包进新区块；每个节点独立的对新区块进行校验并组装进区块链；每个节点对区块链进行独立选择，在工作量证明机制下选择累计工作量最大的区块链；共识最终目的是保证比特币不停的在工作量最大的区块链上运转，工作量最大的区块链就是权威的公共总帐本。
最长链的选择
先来一个定义，把累计了最多难度的区块链。在一般情况下，也是包含最多区块的那个链称为主链
每一个（挖矿）节点总是选择并尝试延长主链。
分叉
当有两名矿工在几乎在相同的时间内，各自都算得了工作量证明解，便立即传播自己的“获胜”区块到网络中，先是传播给邻近的节点而后传播到整个网络。每个收到有效区块的节点都会将其并入并延长区块链。 当这个两个区块传播时，一些节点首先收到#3458A, 一些节点首先收到#3458B，这两个候选区块（通常这两个候选区块会包含几乎相同的交易）都是主链的延伸，分叉就会产生，这时分叉出有竞争关系的两条链。两个块都收到的节点，会把其中有更多工作量的一条会继续作为主链，另一条作为备用链保存（保存是因为备用链将来可能会超过主链难度称为新主链）。
分叉解决
收到#3458A的（挖矿）节点，会立刻以这个区块为父区块来产生新的候选区块，并尝试寻找这个候选区块的工作量证明解。同样地，接受#3458B区块的节点会以这个区块为链的顶点开始生成新块，延长这个链（下面称为B链）。 当原本以#3458A为父区块求解的节点在收到#3458B, #3459B之后，会立刻将B链作为主链（因为#3458A为顶点的链已经不是最长链了）继续挖矿。节点也有可能先收到#3459B，再收到#3458B，收到#3459B时，会被认为是“孤块“（因为还找不到#3459B的父块#3458B）保存在孤块池中，一旦收到父块#3458B时，节点就会将孤块从孤块池中取出，并且连接到它的父区块，让它作为区块链的一部分。
比特币将区块间隔设计为10分钟，是在更快速的交易确认和更低的分叉概率间作出的妥协。更短的区块产生间隔会让交易确认更快地完成，也会导致更加频繁地区块链分叉。与之相对地，长的间隔会减少分叉数量，却会导致更长的确认时间。
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