如何理解比特币挖矿的工作量证明

BCH开发者awemany发布了一篇白皮书——《Storm——Using weak proof-of-work for instant confirmations on Bitcoin Cash》（《风暴——使用弱工作量证明实现比特币现金交易即时确认》）

为理解《风暴》，我重读了弱区块白皮书。

先来理解下比特币挖矿工作量证明。

一个挖矿的过程是计算一个随机数，谁先算出这个符合条件的数，这个条件叫“目标值”，就成功挖到一个区块，就可以拿到区块奖励和交易手续费了。考虑到交易安全性，比特币系统设定全网平均10分钟就会有人算对一次，如果这个平均时间比10分钟快，那系统就会加大计算的难度，反之就减少。

为了衡量挖矿出块时间，系统定义了一个叫“难度”的值。“难度值”和“目标值”是可以通过计算公式相互计算的。

为了给出弱区块的定义，我们先将比特币通过POW挖出符合“目标值”的区块叫“强区块”。请记住“目标值”和“强区块”这两个概念。

对应的，我们定义一个“弱目标值”，即定义一种PoW计算难度更低的“低难度值”，对应的也就可以计算出一个低目标值，就叫“弱目标值”。比如“低难度值”只有前面的“难度值”的四分之一，也可以是十分之一，这就看系统的多方衡量考虑。当矿工计算的随机数符合了这个“低难度值”的条件下计算出来的“弱目标值”时，这个矿工就挖到了一个叫“弱区块”的区块。

这种“弱区块”的出块速度就要比“强区块”快很多，比如快4倍，或10倍，依据系统设定的“低难度值”是原“难度值”的多少而定。

弱区块和强区块类似，也包含类似的数据结构，也有前散列值、随机数、根散列值、coinbase信息，和大量的交易交易。这种弱区块书写成“Δ-区块”。

由弱区块组成的链就称为子链，这是依附在强区块链上的。当有矿工挖到一个强区块时，子链就关闭了。然后系统再开启一个子链，等着依附到下一个强区块上。

当有矿工挖到强区块后，依附在上面的子链就会被打包进强区块。关闭子链后，这个强区块的具体数据结构应该和现有的区块数据结构完全一样。

有了弱区块和子链后，广播强区块的过程就可以被优化。在强区块被挖出之前，Δ-区块已经在矿工层面达成共识了，所有矿工已经同步了弱区块。当一个矿工挖出强区块后，再向全网广播强区块时，就只需要广播该强区块的所有Δ-区块哈希值，整个强区块的数据结构就不需要广播了。这可以大大降低区块广播过程的数据量，降低强区块被孤立的风险。

弱区块没有区块奖励，只有强区块才有。但弱区块有交易手续费，所以矿工也可以通过挖弱区块获得收益。

挖到强区块的矿工，是无法拿到弱区块里的交易手续费的。每一个弱区块被挖出来后，该矿工会在弱区块里构建一笔“弱coinbase交易tx”，将该弱区块里的所有矿工费收集在这笔“tx”里。但这笔tx在强区块被挖出前是无效的，只有等到强区块被挖出后，子链被关闭时，由强区块矿工来分配所有的交易手续费。

这多考验矿工人性，如果没有硬分叉，我很难相信弱区块能够形成协议共识。虽然Bitcoin unlimited的开发者始终认为弱区块是不需要硬分叉来部署。不过，这只是理论上不需要，工程上最好是设计成硬分叉。

比特币牵涉到的利益关系极其复杂，对比特币协议的进化需要多种领域的知识，包括经济学、计算机科学、数学 ，甚至现在还牵扯进来了各种政治类智慧。