什么是PoW（工作量证明）？

工作量证明(Proof of Work，简称PoW)，类似于现实生活中的毕业证或驾驶证，通过检验结果的方式（如通过相关的考试）来获得认证。在加密世界中，PoW 是区块链网络的底层共识模型，是使各节点在网络中的达成一致的标准，以此来确认交易并为区块链生成新区块，并在此过程中建立激励机制，用作对生成区块的节点的奖励。

PoW 的提出

PoW （Proof of Work）工作量证明相关的学术研究最早始于20世纪90年代初。1993年，美国计算机科学家、哈佛大学教授辛西娅·德沃克（Cynthia Dwork）提出了工作量证明思想，用来解决垃圾邮件问题。
1997年，亚当·贝克（Adam Back）发明的哈希现金（HashCrash）技术中应用了工作量证明机制，用于抵抗邮件的
拒绝服务攻击及垃圾邮件网关滥用，强制要求每个邮件发送者，必须进行一段哈希运算，人为造成一小段时间的延迟。
哈希现金技术后来被广泛用于垃圾邮件的过滤，也被微软用于著名的Hotmail、Exchange，Outlook等产品中）。
2008年，中本聪在发表的《比特币：一种点对点的电子现金系统》等相关论文中，首次将工作量证明思想应用于区块链共识过程中，提出了比特币系统的区块链PoW共识算法。

原理

PoW共识算法的工作基础是哈希函数，对于一个一定长度的的字符串输入s，哈希函数H（s）输出结果的长度是固定的，并且计算H（s）的过程是高效的。而对于比特币、以太坊等典型区块链系统所使用的哈希函数，还需要具备以下3个前提。
前提1：哈希函数要避免碰撞，即不会出现输入的值不同，但得到的哈希值一样。
前提2：计算过程不可逆，对于一个给定的输出结果H（s），想要逆向推导出输入s，在计算上是不可能的。
前提3：不能使用穷举法之外的其它方法使哈希函数计算结果H（s）落在特定的范围。

如何运作

PoW 共识算法的参考流程如下：
（1）系统指定一个全局难度值，根据该难度值可以决定下一个区块的哈希计算结果必须满足的要求，一般是要求哈希值小于某个值，为了保证出块时间稳定，随着系统的节点规模逐步增大，难度值也会逐步增加，并且每过一段时间系统会调整难度值；
（2）系统各节点将接收到的多个交易信息打包到新区块的区块体中；
（3）系统各节点构根据新区块体中的交易信息组装新区块的区块头，区块头一般应包含上一个区块的哈希值、由新区块打包的交易信息生成的哈希值、当前系统确定的难度值、时间戳、随机数Nonce的值；
（4）系统各节点使用区块链系统规定的哈希算法进行计算，如比特币系统采用的双重SHA256哈希函数，并将计算结果与系统当前的难度值进行比较，如果哈希值不满足难度值要求，则修改区块头中的随机数Nonce的值，循环进行下一次哈希值的计算；如果节点成功计算出满足难度值要求的哈希值，则马上对系统统所有节点广播新区块信息；

（5）节点收到来自其它节点的广播后，会对收到的新区块信息具进行验证，如比特币系统节点对收到的新区块头进行双重 SHA256 哈希计算。如果验证通过，就不会再竞争当前区块，而是选择接受新区块，写入到分布式账本的本地副本中。
(6)系统各节点开始下一轮出块权的竞争。
在PoW 算法中，系统中只有最快计算出满足难度值要求的希值的节点，才会拥有将新区块添加到分布式账本中的权力，而其它节点只允许对主节点创建的新区块进行复制，从而确保每个节点中分布式账本刷本数据的一致性。

局限性

PoW 共识算法依靠算力竞争来分配记账权，随着区块链系统节点规模的快速增加，必然造成巨大的算力资源和电力浪费，据相关数据，2020 年比特币系统消耗电力达 1348.9 亿度电，相当于一个省全年的用电量，这是PoW算法最大的局限性。
同时 PoW 共识算法由于运算时间过长，变得获得记账权的等待时间变久交易确认周期也会变长，严重影响产生区块的效率，例如比特币系统，目前大概是每10分钟产生一个区块，因此比特币系统无法每秒交易处理，性能 TPS 也是PoW共识算法的局限性之一。