工作量證明解剖
工作量證明（pow）最初是作為針對垃圾郵件的一種解決方案而發明的。直到後來它才被修改用於比特幣。
pow挖礦實際上是在後臺進行的操作是將動能（電力）轉換為分散式帳本。礦機反覆執行雜湊運算，直到解決了密碼難題。除了解決該問題的一個特定雜湊值以外，所有雜湊運算出的值都將被丟棄。
這個很小的雜湊值本身只需要很少的能量就能計算出來，它直接代表了產生它所需的巨大能量。區塊被鑄造的“證據”。為了重寫區塊，攻擊者以後將不得不花費最初需要的大致相等數量的雜湊運算。雜湊值並不表示能量本身。
隨著時間的流逝，隨著改進的挖礦硬體變得越來越有效，這種能量表示越來越不準確。能量本身並沒有改變，但是它在比特幣區塊中的雜湊表述會出現偏差。
視覺化這種能量轉化過程的另一種方式是將pow挖礦視為將物理權重新增到虛擬的區塊上。隨著時間的流逝，較舊的區塊會損壞，並且權重會越來越輕。在其他所有條件相同的情況下，這會減少了整個區塊鏈的總重量。
比特幣透過不斷建立具有新權重的新區塊來應對這種能量損耗過程。這樣可以確保整個區塊的頭部始終有較重的權重，從而保護了整個鏈條的完整性。較重的鏈==安全的鏈。（有人建議“最重的鏈”才是比特幣比中本聰的“最長鏈”更好。當我們不是真正地從字面上理解區塊的長度時，最長的鏈可能會產生誤導。）
sha256是支援比特幣pow挖礦的雜湊函式。sha256可防止帳本被重寫。唯一的雜湊輸入輸出。這就是比特幣不變性的由來。雜湊運算將全部只用於保護帳本的目的！現實世界中幾乎沒有任何東西具有這種100％的奉獻精神和效率。
實際上，它可能不是100％，而只是近似值。因為不可逆性依賴於雜湊結果具有統一的隨機性（就像擲骰子一樣），並且演算法無法真正模擬現實世界中的隨機性。
對我們來說幸運的是，諸如sha256之類的雜湊函式已顯示出足夠的隨機性，也就是“偽隨機性”。sha256經過了多年的審查和壓力測試，並擁有豐富的研究文獻。因此，演算法本身這不是我們應該擔心的安全問題。從根本上講，將能量“附加到塊上”的想法是正確的，並且可能是隨機模擬不變性的唯一方法。
隨機性是比特幣工作量證明（pow）的基石。隨機性如何在比特幣身上體現呢？
骰子和比特幣的工作量證明適用相同的隨機性規則
隨機性研究簡史
隨機性一直是生活中必不可少的部分。許多古代的占卜儀式都是基於偶然性和隨機性的：希臘人的動物骨骼占卜，中國人的竹籤占卜，非洲人的項鍊。類似骰子的裝置在遊戲和賭博中的使用可以追溯到數千年前。
中國寺廟的靈籤
然而，直到16世紀，我們才開始獲得必要的工具和語言來真正理解概率和隨機性。這些工具包括算術概念。我們對概率和隨機性的研究始於一個名叫吉羅拉莫·卡爾達諾的人。卡爾達諾（cardano）於1501年生於義大利，是一位數學家，是文藝復興時期最有影響力的數學家之一。他還是一個臭名昭著的賭徒。由於賭博問題，卡爾達諾最終陷入了赤貧和默默無聞的境地。然而，正是他在賭博方面的經驗使他寫出了名著《概率遊戲》（book on chance of chance），這是對偶然性和隨機性的第一種系統性處理。有趣的是，卡爾達諾打算將這本書的內容保密。卡爾達諾去世100年後，《概率遊戲》才開始首次出版。
卡爾達諾對我們對概率和隨機性的理解的主要貢獻是樣本空間的思想。緊隨卡爾達諾之後的是伽利略和帕斯卡爾。伽利略是那個時代反叛思想精神的完美體現：與強大的天主教會背道而馳，宣稱地球不是宇宙的中心。伽利略做了許多重要的工作。不太知名的作品“關於骰子游戲的想法”探討了卡爾達諾感興趣的類似主題。
帕斯卡爾是費馬和笛卡爾的當代人，比卡爾達諾和伽利略的相距更遠。他發現了我們現在所說的帕斯卡三角形。儘管其他文明國家（例如伊朗，中國和印度）的數學家早在pascal之前就發現了相同的三角形世紀，但pascal的工作是最全面和最新穎的應用，特別是在概率論領域。pascal還介紹了“ pascal的賭注”和數學期望的概念。
從卡爾達諾，伽利略和帕斯卡（pascal）種植的種子開始，我們對機會和隨機性的理解逐漸增長，隨著時間的流逝，它變得越來越複雜和精緻。這是文藝復興時期的共同主題：天文學，牛頓物理學，微積分，經驗主義等一些基本突破奠定了科學基礎，帶來了知識的新分支和重大的技術創新，最終導致了工業革命。
我們破解概率和隨機性過程中的重要里程碑列表：
- 樣本空間
- 排列組合
- 帕斯卡三角形
- 大數定律
- 小數定律
- 貝葉斯定理—條件概率
- 鐘形曲線和標準偏差
- 向均值迴歸
- 隨機漫步
- 蒙特卡洛模擬
- 偽隨機性
關於概率和隨機性的兩個重要發展：蒙特卡羅模擬和偽隨機性。特別是因為它們與當今世界高度相關。
計算機的發明為隨機性的全新應用開啟了大門：計算機模擬。我們有史以來第一次透過廉價地反覆進行實驗來“預測”未來或發現隱藏的真相。這些機器提供給我們的大量模擬以前是無法想象的。
20世紀初，蒙特卡洛模擬的發明標誌著人類歷史上的一個重大轉折點。 在文藝復興之前，人類常常生活在對隨機性和不確定性的恐懼中。 直到20世紀，我們逐漸改進以更好地理解它，但在很大程度上還是讓隨機性決定事物的流動。 透過蒙特卡洛模擬，我們開始用隨機性為我們服務，人類開始成為概率的主任。
蒙特卡洛模擬的著名早期開拓者包括現代計算機的兩個教父約翰·馮·諾伊曼和艾倫·圖靈。
如今，蒙特卡洛模擬具有大量應用：流體力學，商業，金融，人工智慧等。最近發生的alphago案例就是蒙特卡羅模擬（結合其他技術）如何將我們引向新發現的完美範例：alphago的舉動完全超越了我們的想象力和豐富的go文獻，超越了最優秀的人類選手。alphago挑戰了機器無法創新的想法，並迫使我們重新考慮“創造力”的真正含義。
蒙特卡洛方法的日益普及是促使“偽隨機性”（偽隨機過程是一個看起來是隨機的過程，但不是隨機過程）發展的原因，因為良好的模擬需要能夠緊密反映現實的隨機性。 。這樣的過程產生的數字是確定性的，但是它們透過了對所謂“隨機”的統計檢驗。反過來，偽隨機性成為了一個嶄新領域的組成部分之一，這也是計算機時代的產物：現代密碼學。
這也最終導致了比特幣的出現。
隨機性在比特幣中的作用
比特幣的主要創新之一是在建立分散式共識中使用工作量證明（pow）：使用不斷消耗的電能來支撐比特幣區塊可以使我們客觀地觀察系統不變性。 pow是數字與物理之間的橋樑。
pow提供了客觀的衡量標準，比特幣網路參與者可以依靠該衡量標準達成共識，而無需信任網路上的任何人。這與權益證明之類的計劃不同，後者依賴於共識的主觀解釋。本節假設pow是實現區塊鏈的唯一安全方法。
工作量證明中的“工作”涉及搜尋具有最少前導零個數的雜湊輸出。（雜湊輸入有一些限制，例如格式，時間戳等）。
比特幣pow方案使用稱為sha256的加密雜湊函式。密碼雜湊函式的一個重要特徵是它們是單向的。這意味著僅透過檢視雜湊輸出來推斷雜湊輸入是不可行的。而且它們之所以是單向的，很大程度上是由於雜湊輸出的隨機性。
事實證明，這非常關鍵，因為如果雜湊函式不能生成足夠的隨機（“偽隨機”）輸出，則可以從所需的輸出開始，即：一個帶有一定數量前導零的字串，然後從那裡開始向後工作。這將使該證據充其量在最好的情況下不可信，而在最壞的情況下則無用。
簡而言之，典型的pow方案是：（a）提出一個問題，其解決方案存在於一個非常大的空間中；（b）沒有捷徑；（c）唯一的解決方法是蠻力地-強迫並隨機搜尋大空間。就像在巨大的乾草堆中尋找針頭一樣。（為此，官方的電腦科學術語是“無限制的概率迭代過程” 。）
因此，雜湊函式的隨機性決定了證明的強度。
雜湊（提供輸入輸出）→隨機性（保證強度）→工作量證明
一個好的雜湊數學難題使每個礦工有機會根據他們貢獻的雜湊能力的多少來贏得下一個難題解決方案。解決問題的速度取決於不同礦工所擁有的挖礦能力。
沒有正式的證據表明隨機性是pow的強制性要求，但從經驗上看，這似乎是事實。也有一個簡單的觀察結果，即解決方案非隨機的任何問題往往需要花費大量的精力進行驗證，而不是首先計算解決方案。任何此類方案都將在可擴充套件性方面受到嚴重限制（請記住，比特幣很難按原樣擴充套件）。它還會不成比例地偏向於最快的礦工，以至於稍慢一些的礦工一無所獲。
基於隨機性的pow的另一個好處是，礦工會員資格是高度開放的：礦工可以隨時隨地出入。不論是在找到障礙物之後立即加入，還是5分鐘後加入，獲得下一次獎勵的機會都不會改變。
雜湊呢？這是獲得隨機性的唯一方法嗎？可能不是。除了雜湊以外，還有其他模擬隨機搜尋過程的方法，例如整數分解或離散對數。
因此，很可能雜湊不是實現隨機性的唯一方法，而隨機性是建立數字工作量證明的必要前提。
總而言之，只要人類存在，我們就一直在努力應對隨機性和不確定性。現代計算機的發明和20世紀的蒙特卡洛模擬使我們第一次使隨機性變成了我們的優勢。比特幣中隨機性的使用標誌著這一漫長旅程的又一個里程碑。簡而言之，隨機性是工作量證明中“證明”的基礎。沒有隨機性或真正好的偽隨機性，工作量證明將無法工作。
如果比特幣成功地成為未來的貨幣，它將代表人類迄今為止最重要，規模最大的隨機性應用。
原文作者hugo nguyen 編譯cybtc.com
