了解比特币和以太坊的人大概都知道矿工需要付出工作量证明才能获得交易手续费和新的虚拟货币激励，全网节点通过相信最长链或者难度最大链这个共识来忠实地将真实数据写入分布式账本。这个机制保证了虚拟货币的网络安全，解决了必须依赖第三方机构的中心化问题。因此比特币和以太坊技术都是点对点的去中心化的分布式拓扑网络。

挖矿的过程需要消耗巨大的算力，主要原因就是工作量证明这个机制。随着全网算力的提升，比特币这样的网络还会自动调节难度算法来提高挖矿的难度，现在比特币挖矿已经不再是一个寻常配置的计算机可以挖到矿币的时代了。难度调整的机制参考我的另一篇ATA: 难度的计算和调整策略

工作量证明(proof of work)即POW算法最初是在1993年应用于防范垃圾邮件的。起初，人们很容易受到垃圾邮件的骚扰。因此设计了这个机制来提高发送邮件的成本，这样就会加大发送垃圾邮件的难度。大概逻辑是：邮件发送时接收方会给发送方出一道数学题目，发送方完成数学计算后将答案携带一起发送给接收方，这样发送的邮箱才会出现在接收方的邮件列表里。否则，接收方会把邮件当成垃圾邮件处理。这个机制是在1997年正式被命名为"proof-of-work"，也就是工作量证明。

但是这套机制一直没有得到广泛的应用，直到2009年中本聪将POW应用在比特币网络，才开始在加密货币领域发挥重大作用。中本聪通过这个机制在比特币网络的节点点实现共识，以此来保护比特币区块链的数据安全。

所有的节点都来竞争解决数学难题，这些节点也被称为矿工，第一个完成难题解决的矿工会获得酬赏。因此，大家为了获得酬赏开始构建越来越大的矿场来提高自身的算力，算力提升了，但是难度条件机制会提高题目的难度，挖矿也会变得更难，需要更大的算力。这种让矿工卷起来的机制进一步保证了区块链的数据安全。

比特币矿工由于需要大量的计算，会消耗巨大的电量，这些电量是惊人的，有时候相当于一个国家的耗电量。因为工作量证明机制的存在，很多人开始使用更好和更多的设备来参与挖矿，这样进一步提高了哈希计算的速度，也会有更大的概率来创建新区块，最后获得挖矿激励。

更有甚者，越来越多的矿工一起协作组成矿池来集体挖矿，进一步提高获得激励的概率。当然，最后获得激励也会在参与者之间进行分配。

简单总结就是：工作量证明机制需要消耗矿工巨大的电力和算力，但是也会鼓励矿池的使用；随着矿池规模越来越大，区块链有可能变得趋于中心化。这与其去中心化的设计初衷是相悖的。

为了解决这个问题，必须探索一种新的共识机制。另外，这种新机制必须是高效的、绿色环保的，必须要比工作量证明机制更好。

2011年一位比特币论坛用户提出了一种叫做"权益证明"的共识机制。其核心思路是：摒弃工作量证明中全网节点互相PK的内耗。取而代之的是通过随机选择一个节点来验证区块。与工作量证明的区别可以理解为，权益证明不再需要矿工这个耗电和耗算力的角色了，引入了验证者的角色来铸造新的区块。由于验证者角色的重要性，不是完全通过随机的形式从网络节点中选择验证者的。要想成为验证者，必须将一定量的代币抵押在网络中。这样验证者必须持有代币且将一部分代币抵押在网络中，如果验证者不忠实地运行本职工作，就会破坏这个机制受到处罚，最后自己就是受害者，或者叫自掘坟墓。为了保护自己的代币资产，验证者必须按照协议来诚实工作。

如果一个验证者抵押的代币越多，那么它成为验证者的概率就会越高，也会有更多的机会获得出块激励。假设A抵押了价值100美金的代币，B抵押了价值1000美金的激励，那么B获得出块机会的概率就是A的10倍。进一步思考，如果抵押的资产越多，就获得更多的机会来出块，那么就更有可能获得酬赏，那么这个人就会获得更多的代币。权益证明机制不是公平的，倾向于持有代币多的有钱人，但是持有代币越多的人会越想保护这个网络，也会更加忠实地履行验证职责。

其实，工作量证明和权益证明都是不公平的，都倾向于富人。在权益证明中，富人会获得更多成为验证者的机会；在工作量证明中，富人会配置更高的挖矿设备。但是权益证明不再需要消耗庞大的电力了，反而会鼓励富人买入更多的代币，工作量证明只会鼓励富人更多地消耗电力和设备。

权益证明机制下，如果一个节点被选择成为验证者，那么他将会校验所有的交易是否有效合法。如果校验通过后，验证者会对这个区块进行签名，让后记入区块链账本中。最后，验证者会获得交易手续费。

但是，思考一个问题，我们为什么要相信网络中的验证者节点，他要是不靠谱怎么办？一旦发现验证者没有履行好本职工作，那么就会获得处罚-失去一部分抵押资产。只要验证者的抵押资产比交易手续费多，我们就可以相信他会好好干活。如果他不忠实工作的话，会损失地更多。因此，这是一种经济激励的机制，鼓励诚实的验证者，惩罚违规的验证者。

在比特币网络中，如果一个矿工获得了激励，那么这笔激励不是立马可以消费的，必须等到一段时间以后才可以进行交易。同样在权益证明中，验证者的抵押资产和验证收益会在一段时间之后被解禁，在这段时间内一旦发现存在欺诈行为，就会对欺诈者进行处罚，代价就是损失一部分抵押资产。

所以，权益证明和工作量证明的区别是非常明显的。前者不需要每个节点都来消耗大量算力来竞争新区块，因此也更绿色和环保。

权益证明相比于工作量证明来说，更去中心化一些。

这个怎么理解呢？

• 工作量证明机制下，如上文所述，矿池大量存在。矿工节点组合在一起来提高挖出新区块的概率，这样就更有可能获得挖矿激励。但是现实是这样的，矿池控制了比特币区块链的大部分节点，这导致了挖矿机制趋于中心化，是非常危险的。如果世界上最大的三个矿池狼狈为奸互相勾结的话，很有可能就会获得超过全网51%的算力支持，这样比特币网络就会随时被攻击。
• 还有一个角度可以这样看，在权益证明机制下，很容易搭建一个节点，相比与工作量证明机制，其成本更低。权益证明不需要非常昂贵的高端计算配置，鼓励更多的人参与进来搭建节点，相对来说整个网络会比较去中心化，也会更安全。

但是权益证明也不是完美的，如果一个人购买了网络中大部分的代币，那么他就有可能控制这个网络，运行欺诈交易。这就是非常有名的51%攻击，首先是在工作量证明机制中发现的一个漏洞。如果一个矿工或者矿池获得了全网51%以上的算力，那么他就可以控制区块链。但是假想，如果比特币的共识升级到了权益证明的话，那么攻击者就必须获得比特币网络中51%以上的比特币，简直是富可敌国，无法想象。因此，在权益证明机制下，51%攻击发生的概率会更低。

权益证明机制需要关注的一个点就是：如何选择验证者。为了保证网络安全，必须选择有抵押的节点，同时还要考虑抵押品的价值。但是如上文分析，这还不够，因为会更倾向于富人，导致富人越富有。针对这个问题，已经有一些提案在推进，试图解决两极分化的问题。

另一个潜在的问题是：如果网络选择了一个验证者，但是这个验证者拒绝履行职责怎么办？当前的方案是一次选择多个候选者作为备份，一旦被挑选的验证者无法履行职责，就从候选者中再做选择。

所以，虽然权益证明相对于工作量证明来说具备一些优点，但是也引入了新的问题。

通过本文，我们已经了解了什么是权益证明、工作量证明以及其优缺点。其实，有一些虚拟货币已经使用了权益证明机制，比如Peercoin、Lisk和Nxt等。以太坊正在实现一个叫做Casper的权益证明系统，这个系统发布在以太坊的测试环境里，开发者状态也非常活跃。更多以太坊知识可以参考: 以太坊。比特币网络主要采用的就是工作量证明机制。