Proof of Space：杜绝浪费，共识机制的“大杀器”

-哈希研究院作品-

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自2009年第一枚比特币被挖出以来，区块链行业逐渐拓展为一个巨大的全球市场。除BTC以外，LTC、ETH、EOS等各式各样的区块链项目层出不穷。目前，仅以太坊上的ERC20代币项目，就超过11万个；而发布项目白皮书的公司更是不可胜数。

POW（工作量证明）共识算法

比特币实现了一种点对点的电子支付系统，而这一分布式系统的诞生，有赖于其采取的POW（工作量证明）共识算法。目前，绝大多数具备主链的区块链项目，仍采用POW或改良后的POW共识算法，仅有一部分项目采用POS（权益证明）或DPOS（股权代理证明）等算法。

POW为分布式账本带来简明、有效的共识产生机制，然而也产生一些问题：在计算哈希函数的过程中，大量能源被浪费——

有报道称，2017年因比特币挖矿而浪费的电量，超过了丹麦一个国家全年的耗电量。[1]此外，由于ASIC等芯片的产生，比特币也面临这越来越中心化的挑战。比特币的现状与中本聪最早的设计已经相去甚远。

而POS、DPOS机制同样具有中心化的问题，而且投票过程往往较为繁琐，两者显然并非最佳的解决方案。值得一提的是，市面上曾出现一些采用如“交易即挖矿”、“锁仓即挖矿”、“投保即挖矿”、“挖矿即挖矿”等方案的区块链项目。但本质上，这些项目所发行的还仅仅是以太坊上的ERC20代币。由于不具备主链，这些项目均不需要共识机制；所谓的挖矿方案，本质上属于空投方案，是一种激励手段，与区块链的核心技术无必然关联。

真正要解决POW所衍生的浪费能源、中心化的问题，开发多样化的挖矿方案，至少需要解决以下一系列技术问题：

（1） 如果不耗费工作量，以什么作为用户付出代价的证明？

（2） 该种证明如何被校验？

（3） 如何确定挖矿竞赛的优胜者？

（4） 如果避免主链分叉等？

ProofofSpace，空间证明

在技术进展的过程中，PoSpace方案作出了重要的探索。PoSpace即ProofofSpace，空间证明。PoSpace意在取代比特币中的PoW机制，成为一种新型的共识机制解决方案。

这一方案目前已在一些区块链项目实施落地。它以用户支付的硬盘空间作为付出代价的证明，通过下载文件占据硬盘空间，所占的空间越大，说明用户付出越大。

PoSpace可带来以下好处：极大减少资源浪费；用户一次性付出硬盘空间后，后续挖矿不需额外增加付出等等。根据一些团队的测算，PoSpace里的用户行为可视作一种拓展性的博弈模型，随着时间增长，会有越来越多的用户加入进来。[1]

为应对硬盘空间造假的问题，PoSpace把节点分为两种角色：证明人和校验人。证明人即普通节点，需要存储较大的信息数据（如100G），而校验人存储数据库以及证明人的一小部分存储信息，以便验证。

当用户/证明人初次加入网络，他需要根据选择的存储空间大小，存储一部分具有特定序列的数据（存储的数据由用户的公钥决定，因此各用户的数据并不相同）。这些数据以有向无环图的结构存储，而每个数据块之间的关联关系，以Merkle树的形式发送给校验人。

由此一来，校验人可由公钥知道证明人存储的是哪些数据、由发送的Merkle树知道这些数据以怎样的结构存储。

在验证环节，校验人向证明人发送一份“挑战”。这份挑战是证明人存储数据块的某种随机组合。证明人需要根据挑战信息，生成对应组合数据的hash值，返还给校验人，由校验人验证该hash值是否正确。

由于挑战是数据的一种随机组合，而略微不同的数据都将使得hash值完全不同。因此证明人必须的确存储了“挑战”所指明的数据块，才能生成正确的hash值。而校验人由于存储了完整的数据库，他也可对证明人发回的hash值进行校验。

证明人有可能仅存储小部分数据，而仍然通过校验人的挑战（证明人所存储的小部分数据，恰好囊括挑战所包含的数据组合）。然而随着“挑战”的过程多次进行，证明人通过存储少量数据而生成出正确反馈的概率大幅下降。

因此可通过多次验证来避免证明人的作弊行为。这就是PoSpace里的空间确认过程。

“质量函数”的解决方案

而有了校验用户存储空间的方法，仍需通过一些方式来确定挖矿竞赛的获胜者。比较合理的方式应是，存储空间越大的矿工，越有可能在挖矿竞赛中胜出。PoSpace则通过设计一个“质量函数”来实现这个目标。

“质量函数”需要保持一定的随机性，而同时按照贡献空间的大小来区分各个矿工获胜的概率。因此一个简化的做法是，应对校验人的挑战，矿工反馈的hash值（一串数字）直接作为随机量，并根据矿工所占的空间对这串数字进行增减。譬如假若矿工存储的空间总大小为N，则对hash值开N次平方，得到质量函数。这样一来，矿工存储的空间越大，质量函数的数值越小。我们可以规定单次挖矿竞赛中，质量函数最小的矿工获胜。

但此时仍存问题：

由于矿工在一次性付出硬盘空间后，在挖矿过程中不需有后续付出，因此参加挖矿竞赛不需要付出代价，进行主链分叉几乎没有成本。为避免矿工随意分叉造成双花等混乱情形，我们仍需要一种规则来确定某链是唯一链，而所有用户均只记录这个唯一链，这才是真正达成共识。

由于每个区块由具有最小“质量函数”的矿工挖出，一个自然的想法便是：由质量函数来确定唯一主链。我们设定一个数量i，规定从最新的区块往前i个区块的质量函数相加，得到链的总质量函数。

总质量函数最小的那条链，可判定为主链，在此基础上，为强调越早的区块所占的比重越高，可增加一个折扣函数，对早期的区块进行缩减（以提高其重要性）。

因此当主链出现分叉时，对两条（或多条）分叉链的总质量函数进行计算，即可确定唯一链，由此保证仅有一条主链，从而使各用户之间建立起一个分布式、同时又统一的账本系统。

总结

PoSpace使用物理硬盘空间作为付出代价的证明，解决了比特币里POW持续浪费大量资源的问题，同时可建立一个与比特币作用相同的电子支付系统。

PoSpace可认为是共识机制在POW基础上的一大进步。但与此同时，PoSpace仍存在一些问题：如引入了校验人角色，增加了系统的风险；如何设计和安排校验人，仍是一个问题；以硬盘空间为证明，存在着中心化的风险，因为少部分人可以通过巨大财力购置大量硬盘空间，持续垄断挖矿，造成类“51%攻击”等。中本聪“一枚CPU芯片代表一个个体，每个个体拥有平等挖矿机会”的构想，仍然难以实现。

但不得不说，PoSpace的思路为我们提供了许多启发，如通过随机的方式对用户付出的代价进行校验；通过设计区块质量函数确定挖矿竞赛的获胜方式；通过设计链质量函数来避免主链分叉等。沿着这一思路，我们完全有可能开发出适应不同使用场景的共识机制，如“注意力证明”、“时间证明”等。

此外，PoSpace中硬盘所存储的空间，若从无意义的字节，改为有意义的内容（如影片等资料），PoSpace或许天然地适用于建立网络资源共享社区。相信在不远的将来，空间证明共识机制将迎来更多发展和应用。

参考文献：

[1]Park S, Pietrzak K, Alwen J, et al. Spacecoin: A cryptocurrency based on proofs of space[R]. IACR Cryptology ePrint Archive 2015, 2015.

[2] Dziembowski S, Faust S, Kolmogorov V, et al. Proofs of space[C]//Annual Cryptology Conference. Springer, Berlin, Heidelberg, 2015: 585-605.