區塊鏈:技術解讀 | 何在不使用工作量證明的情況下實現公平且高效的提議

作者：StevenPu，Taraxa創始人

前言

在之前的技術解讀文章中我們講到了區塊排序的問題。本文我們將繼續探索如何在不使用工作量證明的情況下實現公平且高效的提議。

POW之美

Pow是一種簡單而又優雅的共識算法。每個節點解決一個簡單的加密難題，解答方案通過快速猜測得出，誰第一個猜對就選誰生成下一區塊。

就這么簡單。

這個簡單的算法同時提供了真正的隨機性——來進行公平且去中心化的區塊提議；一定的延遲——確保有足夠的時間來廣播，最大程度降低分叉概率；經濟上的抵押——通過硬件和電力投資來實現，這樣礦工就有既得利益來誠實工作。

那么PoW哪里不好？我們為什么非要搭個不一樣的？

并行處理是罪魁禍首

早期并排工作的裝配線

簡單又優雅的PoW機制有一個關鍵問題，那就是它的難題是可以高度并行處理的。這些難題通常是一個哈希函數，節點只是不停生成隨機字符串，用哈希法進行處理，然后看得出的哈希值是否符合特定條件。如果你只是一名玩家，假設你平均能在N秒后猜對答案。但如果你是一百名玩家，那么平均你猜對答案的時間就是N/100秒，因為你可以輕松分配工作。舉個例子，假如一共有M種可能的答案，你可以安排玩家1號測試答案1到答案M/100，再安排玩家2號測試答案M/100到答案M/200，以此類推。

銳明技術：公司主要利用區塊鏈技術解決數據加密問題:金色財經報道，銳明技術(002970.SZ)在互動平臺回答投資者問題時表示，公司是以視頻為核心的商用車解決方案提供商，主要圍繞各種商用車輛的駕駛安全、公共安全、司機及車輛的合規監管、營運企業自動化及信息化管理等開展業務。關于區塊鏈，公司主要利用該技術解決數據加密問題。[2020/4/7]

在PoW區塊鏈系統中工作的礦工們通常會購買大量的專用電腦，或者專用集成電路，并調用程序協調這些ASIC的分工來猜答案，所以平均算下來他們猜中正確答案的速度會快些。隨時時間的推移，不同的礦工決定抱團來分擔他們ASIC集團的工作，因此就有了礦池。

對于比特幣這樣的網絡，如果礦工猜答案猜得太快，它有一套內部算法可以提高猜答案的難度，最終將出塊時間維持在平均10分鐘左右一塊的速度。因此，礦工猜得越快，謎題難度越大，這樣也就激勵了礦工通過ASIC提速或者搭建更多的ASIC。

礦機速度越來越快，數量越來越多，消耗的能量也越來越多，直到維護網絡的能耗高得離譜。

因此，PoW共識的哈希函數能夠并行處理這一事實，是造成其負面經濟動機的罪魁禍首。它推動了一場礦工間硬件設備的競爭，消耗了大量的能源。

動態 | “相互寶”用戶超1億 通過螞蟻區塊鏈技術解決信任問題:11月27日，據螞蟻金服官方消息，截至今天，全國已有超1億人加入了支付寶上的大病互助計劃“相互寶”。據悉，相互寶通過區塊鏈公開、透明、不可篡改等技術特點，保證不會有騙保和賴賬的情況發生。文中稱，在相互寶里，1億人獲得保障的同時，累計救助了身患重病者1萬多人；半數受助者是時光正好的年輕人，80后和90后；1/3成員來自農村和縣域，近6成來自三線及以下城市。[2019/11/27]

設計目標：隨機延遲

所以，如果我們想要設計一套不像PoW那么浪費資源的系統，但同時又能做到隨機延遲的話，我們需要達成以下設計目標：

真正的隨機性以確保公平與去中心化

延遲不可以通過并行而降低，以最大程度減少能耗

下面我們來看看如何優化：

■

通過可驗證隨機函數實現隨機性

白噪音就是自然出現的一種隨機源

真正的隨機性更多的是一個哲學問題。我們在說

聲音 | 經濟學家宋清輝：建議借助區塊鏈等新興技術解決中小企業的信用問題:經濟學家宋清輝今日在《金融投資報》上刊文《中小企業走出困境的突破點在哪里》。文章稱，建議政府各部門企業政務數據應盡快打通，并借助區塊鏈等新興技術實現中小企業信用的記錄和傳遞，以解決中小企業的信用問題，使普惠金融成為一種可能。[2019/10/26]

“隨機”的時候，我們真正想要的是“

不可預測”。如果我們的機制輸出的結果是網絡任何參與方都無法預測的，那么我們就認為這個結果是隨機的，且是公正的。

許多加密函數似乎都能生成隨機輸出，例如哈希函數和簽名機制。但是，他們并不是專門為了生成不可預測的輸出而設計的，且觀察者能夠在給定足夠大量樣本的情況下得出模式。

在1999年，一篇由Micali，Rabin和Vadhan撰寫的論文發表了，他們描述了一種可驗證的隨機函數，這個函數是專門為了生成高度不可預測的輸出而設計的。后來，Micali教授成立了Algorand項目，之后該項目核心成員SergeyGorbunov寫了一篇更詳細且更容易理解的文章。如果你對VRF的更多技術處理感興趣，可以參閱上述文章和論文。

在Taraxa的區塊DAG架構里，VRF為隨機延遲提供了隨機性。VRF的輸出是：

動態 | 勝偉集團用區塊鏈技術解決鹽堿地農牧產品追溯問題:據科技日報消息，近日，勝偉集團依托國家鹽堿地產業技術創新戰略聯盟旗下的智慧農業與智能制造專業委員會，與德國國家工程院院士奧泰因·赫爾佐格團隊合作，在產業運營管理中導入物聯網、人工智能、大數據等現代科技，實現智能化管理，結合區塊鏈等前沿信息化技術的運用，建立起貫通全產業鏈條的智能信息體系，實現鹽堿地農牧產品的全程可追溯，徹底解決當前國內農產品質量和安全的最大痛點，從全流程保證食品的安全可信。[2018/10/30]

區塊DAG的級別：在提議者打包區塊時，這里的“級別”就是錨定鏈的長度+1。所以，如果你是提議者，你計算了當前的錨定鏈L，發現了你將要搭建幽靈指針的邊界上的終結塊，那么你提議的區塊級別就是L+1。需要注意的是，這里的定義與常說的“深度”是不同概念。

最新Period區塊的區塊哈希：這是在區塊DAG中最新完成的區塊，能夠通過一個并行PBFT流程實現真正的最終確認。考慮到在邊界上提議者尚未接收到最新確認的Period區塊，所以協議會有一定的容忍，即最新Period區塊的上一個區塊哈希也是可接受的。

區塊提議者的秘密VRF密鑰，這個是搭建VRF函數所需要的。這與交易簽名機制不同，是專門為每個節點生成用于搭建VRF的。

動態 | OneWattSolar想借助區塊鏈技術解決非洲能源問題:根據世界銀行的數據，大約41％的尼日利亞人無法獲得電力，位于拉各斯的創業公司OneWattSolar希望借助區塊鏈技術解決這個問題，通過加密貨幣廉價購買清潔能源。清潔能源裝備提出了一種方法，允許成千上萬的非洲人使用區塊鏈代幣支付太陽能，而無需支付太陽能系統基礎設施，這是通過財政支持者提供資金的[2018/10/27]

VRF函數的

輸出分兩塊：

v是一個偽隨機值，用于確定延遲長度。

p是一個證明，其他節點可以用其來驗證VRF已誠實且正確地執行。可以把它當作一個簽名，有了提議者的VRF公鑰，任意其他節點都可以輕松確定計算的正確性。

最終，我們可以寫成一個簡單的方程式：

VRF(L,P,SK)→(v,p)

■

延遲難度成型函數

在VRF的輸出轉換為延遲之前，我們會需要讓其形成一定的分布。分布的特征大致如下：

需要有一個最小延遲，因為我們不能讓區塊立即生成，不然會沒有時間進行適當的網絡廣播

需要有一個最大延遲，因為我們不希望整個網絡堵塞，也不希望長時間不生產塊

部分提議者速度要快，而剩下一部分要慢，這與合格提議者數量以及整個網絡的直徑有關

因此，最終的成型函數可能是這樣的：

成型函數

設成型函數為S，我們可以得出以下公式：

S(v)=d

這里d就是下一階段的難度系數。

■

可驗證延遲函數的延遲

Token像個公交卡，能自身產生價值轉移，聯盟鏈沒有原生的價值轉移。國家打擊的是傳銷盤，但其實還有很多的具有價值的代幣，當行業發展和公眾認知到一定程度的時候，優質的公鏈能避免一刀切的狀況。等到這個時候，

聯盟鏈和公鏈的合作可能更多。

獨自辛苦獨自忙，無人并肩共作戰=（

正如本文開頭討論的那樣，PoW好是好，但并行處理是其“風評被害”的罪魁禍首。于是，可驗證延遲函數出現了，這個函數是專門為了模擬無法通過并行處理加速的延遲而設計的。

如果一個函數符合以下兩點簡單的標準，那么就可以嚴格將其歸為VDF：

必須是順序的，這種情況下無人能夠通過多個并行處理來加快VDF函數的計算，這一點與PoW不同。

必須是可簡單驗證的，觀察者能夠簡單地進行驗證，確認VDF計算正確且出現的是適當的延遲，這一點與PoW相似。

Bonehetal.，Pietrzak和Wesolowski等人都提出了滿足這些標準的VDF。特別是，Pietrzak和Wesolowski都基于在未知順序的組別里重復平方的原理，各自獨立地提出了高度相似的方法，這些方法能夠有效抵抗并行處理。

讓我們在更高層次測試一下這些函數吧，因為數學是非常復雜的。

這些VDF的構建是執行重復平方的計算，這些計算是無法并行處理的，因為每次迭代都需要上一次迭代的輸入，且任何給定迭代中不會提供關于未來迭代的信息。換句話說，除非你一步步完成所有迭代，否則你無法知曉答案。這一點確保了這個函數是順序的。

而讓VDF能夠簡單驗證的是，你可以用包含VDF中間輸入與最終輸出的隨機線性組合來搭建一個證明。這些限線性組合的計算很簡單，因為比起計算整個VDF來說，它涉及的步驟要少很多。簡單地類比一下就是，計算整個曲線中的所有數值與選個箭頭往前推幾步的差距。箭頭前進幾步所花費的時間顯然比計算少得多。這一點確保了這個函數是可簡單驗證的。

在Taraxa，我們在VDF中設置了以下幾個輸入項：

父哈希，或者你新創建的區塊通過一個幽靈指針所指向的父區塊

所有交易的哈希，你計劃打包到區塊中的所有交易的哈希，所以你無法事先計算VDF

d，上一步的難度系數

所以，在節點提議區塊之前，VDF函數計算長這樣：

VDF(gP,Tx,d)=z

在實踐中，為了確保對輸出項z的驗證是非交互的，節點提議者需要將中間證明以及最終輸出項插入提議區塊中。

所以，對計算VDF函數的節點來說，他們可能會遇到類似這樣的延遲：

出于解說需要，這是從均勻分布中生成的。

截至撰稿時，VDF仍舊是極具實驗性的技術，且正在經歷積極的研究與測試。Taraxa會與開源領域最優秀的人以及學術社區合作學習，確保我們的賬本采用的是最穩定、最高效、最安全的方案。

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