你可能聽說過加密貨幣比特幣，也聽說過一個叫 "挖礦 "的名詞與這類加密貨幣有關。加密貨幣挖礦，簡單來說，就是礦工或個人使用裝置從事支援區塊鏈網路的 "工作"，以獲得加密貨幣獎勵的過程。
Onenote上的小型P2P網路草圖
區塊鏈：它是一種網路分散式記錄或分散式賬本，記錄那些人們在網路上的行為。因此，對於加密貨幣的區塊鏈網路來說，區塊鏈的功能將是記錄網路上個人的交易。
在這篇文章中，我將以比特幣為例，解讀挖礦背後的意義。
回到礦工的 "工作 "這個話題。為了讓礦工獲得比特幣的獎勵，礦工要做的簡單 "工作 "就是對比特幣區塊鏈上的交易進行驗證。
在驗證時，挖礦者將執行一系列檢查，以確保分配的交易是合法的，並且交易參與者不會支付相同數量的加密貨幣兩次。例如，當Joe給Brandon傳送了12個比特幣，而Brandon試圖給Tony傳送7個比特幣和Max 8個比特幣，這將被認為是一筆欺詐交易，因為7+8>12。我剛才給出的情況是 "雙花問題 "的一個例子：Brandon試圖兩次消費同一個比特幣。
在礦工已經驗證了0-4兆位元組之間的比特幣交易(大約1500-3000筆交易)，相當於一個區塊的近似最大大小。他們已經完成了比較容易的一半工作，以獲得比特幣獎勵。然而，在驗證之前的任務是最複雜的，使礦工有資格驗證交易。
挖礦業的運氣部分
透過率先解決一個字串序列的計算，也就是所謂的建立工作證明(Proof of Work)。建立工作證明(Proof of Work)是礦工們最需要計算力的過程。(下面我將在後面的章節中解釋為什麼叫工作證明(Proof of Work))
為了理解工作證明(Proof of Work)演算法，你必須先熟悉區塊鏈中的 "雜湊 "一詞。
網路檢測區塊鏈中區塊的篡改的方式是透過其雜湊值 ; 由區塊中的資訊定義的數字和字元組成的長字串。透過把資料透過雜湊函式，比如比特幣使用的SHA-256使用，就會產生一個針對該特定輸入的序列。意思是說，如果輸入資料哪怕改變一個字元，輸出的雜湊值就會完全改變。另外，雜湊是一個可加密但不可解密的結果，因此，它不能用來獲取原始資料，只能作為驗證雜湊的輸入資料是否相同的一種方式。建立工作證明(Proof of Work)需要礦工執行雜湊演算法來 "猜測 "問題的合適答案。對於比特幣區塊鏈網路來說，礦工必須率先建立一個符合一定要求的雜湊值，這個雜湊值被稱為 "目標雜湊"。
猜測目標雜湊的必要資訊就存在於新區塊的區塊頭中。包含：區塊版本號，時間戳，前一個區塊的雜湊值，以及目標雜湊值。
onenote上的猜測過程草圖
目標雜湊的答案是由前一個區塊的雜湊值、現區塊交易資料，加上0-4,294,967,296的整數(簡稱nonce)，然後放入雜湊演算法中生成的。
如果答案符合目標雜湊的要求，該區塊就會被新增到區塊鏈中。最先驗證交易並找出新增到該區塊雜湊中的那個nonce的礦工，就會得到比特幣的獎勵。否則，他們就會不斷嘗試尋找有效的目標值。
由於雜湊演算法的隨機性，我們需要做大量的隨機猜測來確定滿足目標雜湊的數值。
來源：Investopedia
儘管自己想找到nonce已經相當困難，並且在同一個網路上還有≥百萬的其他個體與你競爭，使得一個裝置獲得比特幣獎勵的機率類似於中彩票的機率。因此，你可以透過提高處理能力或使用多臺裝置來獲得更快的Hash Rate(單位包括：KH/s、MH/s、GH/s等)。
Hash-rate一詞可以解釋為一個或一組裝置計算數字和驗證交易速度有多快的量(是計算能力的衡量標準)。
共識機制
像比特幣區塊鏈這樣去中心化P2P的網路，沒有中心主要人物，只能根據不同的共識機制進行決策。共識機制在交易驗證的同時，也奠定了挖礦的目的。
來源：維基百科
共識機制有很多形式，但它們都是為了同一個目標："核實並確保記錄的真實性和完整性"(來源：Tech in Asia)。目前主要有三種機制：工作證明(Proof of Work)、權益證明和權力證明。在本文中，我將重點介紹共識的工作證明(Proof of Work)方法。
說到挖礦，這總結了工作證明(Proof of Work)模式的工作原理：個人首先要建立一個工作證明(Proof of Work)，然後他們驗證比特幣交易以確保區塊鏈中的記錄是真實的。然而，在驗證交易之前先讓我們深入瞭解一下工作證明(Proof of Work)的目的。
工作證明(Proof of Work)的歷史和目的
這種工作證明(Proof of Work)的想法在1993年就已經出現，由Cynthia Dward和Moni Naor在一篇論文(On Memory-Bound Functions For Fighting Spam)上提出，文中解釋了阻止垃圾郵件的不同方法。這篇論文的重點是透過計算能力來傳送電子郵件的想法。
例如，如果你想透過電子郵件給我傳送一條資訊，那麼你必須證明你僅僅為了給我傳送這條資訊就花費了比如說30秒的計算能力。由於現代計算機的速度很快，在這種情況下，垃圾資訊/郵件/交易就成了一個大問題。但是，透過給每個操作設定一個 "工價"，就可以大大減少垃圾資訊。
在onenote上驗證勤勞的門鑰匙例子
簡而言之，"prover "向 "vercker "證明他們在一定的時間間隔內投入了一定的計算能力。隨著時代的發展，比特幣的創造者 "中本聰 "修改了讓比特幣礦工生成資料片段的想法，這是比較困難的部分。而網路上的其他人要驗證它是否真的滿足目標雜湊值就很容易了，因為他們只需要把需要的資料透過SHA-256演算法。
透過這種工作證明(Proof of Work)系統，就能夠保證區塊鏈等系統的安全性並建立一個驗證共識，因為真正驗證區塊的將是一個投入了巨大計算能力的裝置。這就給了網路一個保持公平和誠信的經濟理由。
如何做到這一點呢?
舉例來說，如果發生了欺詐交易並被批准，使用者就會變得 "猶豫不決"轉而使用其他加密貨並且降低價格。從經濟上來說，礦工，也就是做比特幣 "生產 "的人，會因為價格下跌而不開心。而與此同時，只有控制礦工才有足夠的計算能力來觸發欺詐性驗證。所以，礦工們的工作動機就會轉向保護交易，以確保幣價不跌。
工作證明(Proof of Work)機制的劣勢
雖然工作證明(Proof of Work)被用於一些最大的加密貨幣(比特幣、以太坊等)上，但這並不意味著其是最高效、最安全的系統。
來源：BBC
消耗功率工作證明(Proof of Work)的過程需要耗費大量工作，因為計算機只是透過粗暴的方式用所有的可能性來猜測正確答案。這一方式浪費大量的電力和資源。從更大的範圍來看，想象一下，全世界所有的礦工都在試圖 "挖礦 "以獲得比特幣的獎勵同時浪費著資源，如果他們不先猜出nonce甚至對網路沒有貢獻。
違背了去中心化的理念
由於挖礦需要耗費大量的電費，礦工們建立了中央礦場，控制了大部分的區塊驗證。這幾乎讓P2P去中心化的想法變得毫無用處因為這意味著只有控制礦工才會同意攻擊網路。電力成本也促使礦商聚集在電力成本較低、利潤較高的地方，以便開展挖礦活動。集中決策權。
工作證明(Proof of Work)的替代方案
如上所述，還有其他共識機制能夠取代PoW。例如：Proof of Stake、Proof of Authority和Proof of Capacity。Proof of Stake透過驗證者錢包裡的貨幣數量來確定交易驗證者。假如你想象一群人買彩票。買彩票最多的人將有更大的中獎機會。
這與股權證明類似，如果你的錢包裡有最多的加密貨幣，你將有最大的機會成為驗證者並獲得獎勵。許可權證明透過個人的 "可信度 "來確定交易驗證者。
想象一下，一群人選擇幾個最值得信任、信譽最好的人去驗證交易的有效性。能力證明透過個人對網路記憶體空間的貢獻來確定驗證者。這種機制允許網路上的貢獻節點共享記憶體空間，所以貢獻的裝置擁有的記憶體越多，它成為驗證者和獲得獎勵的可能性就越大。上述這些方法所需要的計算量大大減少，在交易的驗證中可以更加省電。
總結
挖礦行為是驗證和生成工作證明(Proof of Work)的過程。
生成工作證明(Proof of Work)允許礦工驗證交易。
生成工作證明(Proof of Work)是一個數字猜測和強迫的過程。
工作證明浪費電(Proof of Work wastes electricity)，除了工作證明(Proof of Work)，還有其他方式，如利害關係證明(Proof of Stake)、能力證明(Proof of Capacity)、權力證明(Proof of Authority)
