工作量證明（PoW）：比特幣的算力競賽

工作量證明要求礦工投入運算資源尋找符合難度目標的區塊雜湊。比特幣節點驗證結果，並把累計工作量最大的有效鏈作為主鏈候選。

礦工不是在解開交易密碼，也不是計算出唯一答案。它們反覆改變區塊頭中的 nonce 等欄位並計算雜湊，直到結果低於網路目標值。找到結果很難，其他節點驗證結果卻很快。

工作量證明怎樣產生新區塊？

礦工先從待處理交易中組裝候選區塊，再建構包含前序區塊雜湊、默克爾根、時間和難度資訊的區塊頭。礦機不斷嘗試不同輸入並計算雜湊，直到出現符合目標的結果。

找到結果的礦工把區塊廣播給網路。完整節點會檢查工作量證明、父區塊、交易有效性、區塊大小和其他共識規則。任何一項不符合規則，節點都會拒絕該區塊，即使礦工投入了大量算力。

因此，礦工負責提出區塊，節點負責驗證規則。礦池不能單方面創造無中生有的比特幣，也不能讓無效交易獲得有效簽章。

雜湊和區塊頭欄位的關係，可結合雜湊演算法科普與區塊結構深度解析理解。

難度目標為什麼會調整？

全網算力會上升或下降。如果目標長期不變，算力增加會讓區塊產生過快，算力減少則會讓出塊變慢。PoW 網路通常按協議週期調整難度，使平均出塊節奏回到設計範圍。

難度越高，滿足目標的雜湊範圍越小，礦工平均需要嘗試更多次。單個礦工找到區塊的機率取決於其算力占全網算力的比例，但短期結果仍有隨機性。

礦池把多個參與者的算力彙集起來，可以減少收入波動。它也會讓區塊範本和出塊權集中到少數營運方，因此觀察 PoW 去中心化程度時，不能只統計礦機數量。

為什麼主鏈看累計工作量？

兩個礦工可能幾乎同時找到有效區塊，網路便會短暫出現兩個鏈頭。節點先接受自己看到的有效分支，隨後繼續比較各分支累積的工作量。

通常所說的「最長鏈」指累計工作量最多、最難重新建構的有效鏈，不只是區塊數量更多。攻擊者若想改寫舊交易，需要從目標區塊開始重做工作量，並持續追趕誠實礦工增長的鏈。

交易之後累積的區塊越多，替代這段歷史通常越困難。這也是 PoW 網路使用確認數衡量交易穩定性的原因，但確認數不是絕對不變保證。

PoW 的獎勵從哪裡來？

礦工成功提出有效區塊後，通常會獲得協議發行的區塊補貼和區塊內交易手續費。補貼規則由具體網路決定，並可能按預定計畫減少。

獎勵需要涵蓋礦機、電力、散熱、場地和維運成本。幣價、難度和費用變化會影響礦工收益，也會影響部分算力是否繼續留在網路。不能只用區塊獎勵金額判斷網路安全，還要看實際算力分布和攻擊資源是否容易租用。

工作量證明的優勢和限制是什麼？

PoW 把提出區塊的權利與可測量的外部成本綁定，任何人只要遵守協議並提供算力都可以參與。比特幣長期運行也讓這套安全模型累積了較多公開研究和實際觀察。

它的成本同樣明顯。競爭運算會持續消耗能源，專業礦機和規模化營運提高了參與門檻，礦池與硬體供應也可能集中。PoW 通常依靠後續區塊增加確認信心，不一定提供 BFT 協議那種明確檢查點最終性。

想比較另一種安全資源，可閱讀權益證明（PoS）；代表選舉怎樣取代算力競爭，可閱讀委託權益證明（DPoS）。這些機制在共識機制詳解中有完整位置。

常見問題

nonce 用完後，礦工還能繼續嘗試嗎？

可以。礦工可以調整 coinbase 交易中的額外欄位、時間或交易組合，進而改變默克爾根和區塊頭，再獲得新的雜湊搜尋空間。

為什麼有些礦工會挖出交易很少的區塊？

礦工可能在剛收到父區塊時先建構較簡單的候選範本，或當時可用交易較少。只要區塊符合協議規則，交易數量少並不會讓工作量證明失效。

已經計算過的雜湊可以留給下一個區塊使用嗎？

不能直接重複使用。父區塊雜湊、交易集合或其他區塊頭欄位改變後，輸入也會變化，礦工需要針對新的區塊頭重新搜尋。

算力增加會讓每個區塊永久更快產生嗎？

通常不會。短期算力變化會影響出塊速度，難度調整會在後續把平均節奏拉回協議目標。調整週期和計算方法由具體網路規定。