POW 的技术细节
比特币系统有一个众所周知的特点，就是很多矿工参与挖矿，但是每十分钟网络上产生的比特币却不是给所有矿工均分的，而是谁抢到记账权，就把所有的比特币奖励给谁。而抢到记账权需要的是进行运算能力的比拼，也就是说哪个矿工的机器速度更快，那他就更有可能跑赢这次算力赛跑，从而拿到记账权。本节我们就一起探索一下这个赛跑背后的 POW 机制。换句话说，就是看看大家是怎么知道哪台计算机的运算能力是最强的。
POW 本意
POW 这个概念是1993年的时候提出的，要比比特币出现得早。最早的用途也不是实现加密货币的，而是用来防止垃圾邮件。所以我们先说说 POW 自身的基本含义。
POW ，英文全称是 Proof of Work ，直接翻译过来是工作量证明。这个词的中文直接听起来有点不知所云。实际上如果我跟你说结婚证明，离职证明，那你是不是首先想到的是一张上面印着一些东西的纸呢？别人看到这张纸就知道你的确结婚了，或者你的确从某单位离职了。工作量证明从语法上也是一个逻辑，也可以理解成一张纸，通过这张纸就可以证明你的确完成了一定量的工作。这就是工作量证明的字面意思。
那工作量证明有什么特点呢？我们抛开计算机，用现实世界的例子来说明。例如我上课不认真，老师罚我把《桃花源记》抄写十遍，我用了两个小时的劳动，最后给老师的就是一张纸，而老师要确认我的确付出了大量劳动，其实只需要看一眼就可以了。这个例子道出了 POW 机制的一大特点，那就是生成需要花费大量劳动，但是验证只需一瞬间。另外一个工作量证明的例子可以是，老师给我出一道题，我给老师的运算结果，或者说就是最后的那个数字，就是我的工作量证明。回到计算机情形下，纸当然是不存在的，所以所谓的工作量证明就是花费了很多劳动而得到的一个数了。
再说说 POW 最早的用途。人们在使用电子邮件的时候会收到垃圾邮件的骚扰。如果没有成本，那么发送一百万封邮件的确是很轻松的事情了。所以，聪明的人就会想，如果让每一封邮件发送时候，都有一个微小的成本，那么垃圾邮件就会被很大程度的遏制了。而 POW 就是为了服务这个目的产生的。基本过程就是邮件接收方会先广播一道题出去，邮件发送方发邮件的时候必须附带上这道题的答案，这样邮件才会被接受，否则就会被认为是垃圾邮件。
这样我们就理解了 POW 的最基本的含义了。
哈希函数
但是我们知道，计算机解题速度很快，人类觉得很难的题，计算机根本就不用花什么时间就能给出答案。所以什么样的题才能让计算机形成工作压力呢？这就要说到哈希函数了。
哈希函数，也有人翻译为散列函数，是一个公开的算法。输入可以是任意长度的数据，算法拿到输入之后，把数据拆散，然后重新排列，得到的输出是一个位数固定的数字，这个数字就叫做哈希值，简称哈希。哈希函数最大的特点是，如果输入的数据不同，哪怕只有一个微小的差异，那么输出结果也会看起来完全不同。这个特点保证了，根据输出结果去反向运算输入是不可能的，甚至也没有办法去缩小输入的可能值范围。另一方面，如果输入相同，那么运算得到的哈希也一定相同。这一点保证了任何人都可以在一瞬间内验证最终的哈希值是否正确。
哈希函数的这些特点，决定了很多场合下都可能用到哈希。例如可以用哈希值作为一个数据指纹，给定一个确定的哈希，就可以判定原来的数据有没有被篡改过。不过，这些其他用途都不是这次要关心的，我们重点来看看哈希在 POW 机制下的作用，或者说就是如何用哈希函数来给计算机出题。
比特币中的 POW
比特币的 POW 机制，宏观上要达成的就是判定哪个矿工的运算能力最强。系统会给所有的矿工出一道题，哪个矿工最早提交答案，也就是提交 POW，系统就可以判定这个矿工的算力是最强的，就会把记账权给他。
这道题用到了哈希函数，但是非常有意思的是，系统要的答题结果，也就是所谓的 POW，不是哈希函数的输出，而是输入。因为要从输入算输出，这是一个非常直白的过程，计算机很快就会完成，同时出题的时候也需要给全网广播一个超级大的数据，考虑到网速，这样显然是不可行的。所以比特币系统的做法是反过来，给全网广播一个哈希值，让大家去找到它的输入。因为哈希函数本身其实是不能进行反向运算的，所以如果矿工们要去得到输入，唯一的做法就是去瞎蒙，类似于去掷骰子，每次选一个数，运算它的输出是否符合系统给的哈希值。如果不是，就换下一个数再试。最终谁能找到这个输入，显然是一个概率问题，但是哪个矿工的运算能力强，也就意味着单位时间内他掷骰子的次数就多，所以大概率上肯定是他会首先拿到正确的输入。这就是运算 POW 的基本原理了。
当然实际中，比特币系统是每十分钟会记账一次，也就需要大家每十分钟就比一次。而十分钟之内想要给定一个精确的哈希值，让大家拿到输入，是根本不可能的。所以其实每次系统给定的是一个哈希值范围。具体规则就是，只要可以保证运算出的哈希值小于某个特定数值，就认为提交的 POW 是正确的。这也就意味着，矿工要去拼命找到一个输入，让它对应的哈希值的前面几位都是0，因为0越多，数值就越小。同时，系统如果要求的0越多，那么对应的运算难度就会越大。比特币矿工们的算力多年来提高了很多，但是为何比特币系统还是能保证算出 POW 的时间大致保证在十分钟左右呢？秘密就是系统可以通过调整0的个数，来改变出题难度，算力高，但是题变难，所以需要花费的解题时间就会保持相对稳定。矿工得到结果之后，会把自己的结果提交给全网，因为哈希函数的特点，每个矿工都会很容易的验证这个结果是符合系统要求的，于是大家就会承认这个矿工抢到了记账权。
这样，我们就理解了比特币系统是如何用 POW 机制，给矿工铺开了一条算力赛跑的跑道了。
