PoH 共识机制探索:如何契合去中心化的地理位置服务

PoH 共识机制探索:如何契合去中心化的地理位置服务

(桃花开满园,梵高)

区块链是分布式的网络,是共同的数据库,它需要就事情的真相达成共识,从而实现无须许可的参与,实现无须依赖第三方的信任。共识机制是区块链最重要的组成部分之一。要想理解区块链的共识机制,必须理解两个问题:一是,要达成共识的内容是什么?二是,用什么方式来达成共识?理解了这两个方面,基本上可以理解区块链共识的基础。

不过,区块链的共识机制不仅与技术相关,本质上它也是服务于项目经济体的。在未来区块链共识机制的选择方面,关于项目属性本身的考虑会越来越多。

PoW 和 PoS 的本质

说到共识机制,大家最熟悉的莫过于 PoW 和 PoS,一个是工作量证明,一个是权益证明。实质上,PoW 和 PoS 并不是共识算法,而是在达成共识中的提议区块的机制,当前区块链的共识算法主要有中本聪共识算法和经典共识算法。中本聪共识采用最长链的规则,非常简洁:如看到提议的区块拥有最多的工作量证明,那就接受它,所以它也是一种概率性的规则,确认的区块深度越长,交易就越难被逆转。经典共识算法是 PBFT 类算法,当系统中的大多数参与者对提议区块投赞成票,系统中参与者将其接受为正确区块,且一旦投票通过,区块具有最终性,不存在回滚的可能。

从上可以看出,不管是中本聪共识还是经典共识,都需要有一个区块提议的机制,这是整个共识达成过程中最重要的部分之一,竞争区块的提议权,本质上也是记账权。而 PoW 和 PoS 机制在区块链中更广为人知,是因为它们是区块提议的机制,涉及到谁有权提议的问题,直接跟区块奖励相关。因此,不管是 PoW 还是 PoS 本质上都是为了获得区块提议的权利。但其获得区块提议的方式存在根本区别。

在比特币的 PoW 机制中,规则也非常简洁,为了获得区块提议的权利,谁率先计算出谜题的答案,谁就获得区块提议的权利。也就是说,它本质上比的是算力。这也导致它天然是抗女巫攻击的,要想从算力竞争中获胜,需要有更好算力效率的矿机,需要更便宜的电力。最终来说,比特币 PoW 的本质是将能源转化为价值的存储,它本质是一种工作量的证明,也是一种价值的转化和存储。

PoS 的规则也很简单,它是基于人们在系统中质押的代币权益多少来选择区块的提议者。也就是说,谁质押的代币权益越多,谁跟系统的利害关系就越大,其损害系统的代价就越大,其做出诚实记账的可能性就越大,利于保证系统的安全。

海伯利安的 PoH: 适合于去中心化位置服务的共识机制探索

不管是 PoW 还是 PoS 都有其优点,也有其缺点。关于 PoW 和 PoS 孰优孰劣,加密社区的争议从来没有停止过。不过,从蓝狐笔记的角度,这取决于区块链项目本身。像加密货币本身,如比特币,它更适合于用 PoW 来保持其安全,它的价值源于算力和能源的转化,从而实现价值存储,这不仅让它具有安全属性,也具有内在价值。而像一些智能合约平台,它通过 PoS 实现了可扩展性和安全性,也算是一种探索。那么,有没有一种共识机制,根据自身需求,可以将两者结合起来?让我们来看一下海伯利安在共识机制上的探索。

1. 什么是海伯利安的混合共识机制 PoH

PoH 源自于英文 Proof of Hybrid 的缩写。海伯利安的 PoH 共识机制是指它结合 PoW 工作量证明和 PoS 权益证明的优势,从而提出一套更适合于去中心化地理位置服务发展的混合证明的共识机制。

海伯利安 PoH 机制结合 PoW 和 PoS 的方式是采用错层融合的模式:海伯利安的去中心化的地图服务网络 Map3 中按照工作量证明的方式选择出候选的节点,确定“谁”有资格通过复抵押参与到其 Atlas 底层区块链的区块生产中。而 PoS 是权益证明,在经过 PoW 工作量证明之后,也就是通过初选的节点,有资格根据权益质押代币的多少来获得提议共识区块的权利。

要理解海伯利安的 PoH 共识机制,首先要理解其项目整体结构,理解项目自身的属性,这也是为什么它采用 PoW 和 PoS 错层融合的原因。如下图:

PoH 共识机制探索:如何契合去中心化的地理位置服务

从上图可以看出,海伯利安项目的整体经济结构中,包括三个部分:

  • 最底层是地图区块链 Atlas,它负责整个位置服务体系中最重要的记账服务,由分布式的共识节点组成,负责记录在整个位置服务经济体中不同参与者的贡献,是整个地理位置服务系统实现价值流转的基础部分。这一层的主要贡献者是获得提议区块资格的共识节点,由这些共识节点负责出块。
  • 第二层是去中心化地理位置服务网络 Map3,它由很多分布式的地理位置服务节点组成,这些节点为客户端和企业提供全栈的地理位置的服务。这一层的主要贡献者是提供地理位置服务的所有节点,这些节点无须许可,任何人都可以加入,不过为了保证服务质量,也需要满足一定条件,在带宽、存储、算力等方面需要达到一定要求。在 Map3 网络中,它支持创建自定义的随机地图层,可满足自定义需求;支持实现跨平台地图技术堆栈的无缝转接;对地图数据进行加密等。
  • 最上层是客户端层,在这一层,用户可以通过客户端获得分布式的地理位置服务,同时 HYN 持币用户也可以通过客户端将其代币抵押给节点,以获得收益。目前海伯利安推出了第一个客户端产品 Titan 手机应用,它为全球用户提供去中心化地图搜索导航、数字钱包、区块链地图 App 开发等功能。此外,基于 Titan 地图应用,还可以有其他应用的入口。Titan 地图服务跟现有地图服务的不同在于其隐私保护特性,这跟 Brave 浏览器有类似之处。具体来说,它用公钥地址代替位置接收者身份,离线地图让用户数据保存在手机本地,通过密码学方式保证位置隐私分享。这一层的客户端用户,是服务的需求者和受益者,也因此需要付出,包括费用或其他形式的付出,以维持系统的运行。当然,企业用户也可以为其客户端用户付费,并在其他地方实现增值收费,从而实现更好的用户体验。

从上可以看出,在海伯利安的整体结构中,Map3 由无须许可的节点组成,它支撑海伯利安的链下地理位置服务,也就是说,这些节点的主要贡献在于为用户提供地理位置服务。那么,如何来衡量这些节点的贡献。海伯利安采用了 PoW 的共识机制,也就是工作量证明的方式。在海伯利安的 Map3 网络中,所有的分布式节点通过 PoW 工作量证明,可以获得两个方面的收益:一是服务收益,二是参与竞选共识节点的资格,以获得出块奖励。

在 Atlas 区块链层,海伯利安采用的是 PoS 权益证明模式,经过 Map3 网络 PoW 的初选,有部分节点获得共识节点的资格,有机会根据其 PoS 权益质押情况最终获得提议区块的权利。

那么,为什么海伯利安要采用 PoH 的混合证明共识机制?为什么不直接采用 PoW 或 PoS 机制来构建其去中心化的位置服务网络?

2. 海伯利安为什么选择 PoH 混合证明共识

海伯利安之所以采用混合证明共识的 PoH 机制,其核心原因跟其项目特性相关,它既不是比特币这样的价值存储的加密货币,也不是用来承载不同领域(如金融、游戏等)的去中心化应用智能合约平台。它不仅包含专属公链,同时也是致力于提供地理位置服务的完整结构的经济体。

海伯利安的愿景是 One Map,它希望通过其整体的服务重新塑造位置数据的采集、服务、价值分配等。而 PoH 的混合证明机制也是为了服务其项目愿景。

从上面的海伯利安的架构可以看出,为了引导出分布式的地理位置服务,它不仅包括了底层地图区块链 Atlas,也包括分布式的地理位置服务网络 Map3,以及地理位置服务的前端应用。只有地图公链本身,在短期内比较难引导出用户使用场景,而整体的结构更利于实现其长远目标。

共识机制的核心首先是保证链的安全,其次要跟项目特性产生契合,能够激励系统内的贡献参与者朝共同的方向发展。PoH 混合证明机制有利于海伯利安实现如上的两点。在海伯利安的地理位置服务经济体中,不同的角色发挥不同的作用。

首先,客户端用户是地理位置服务的需求方,也可以是系统发展的获益方。例如持有 HYN 代币的用户可以将其代币抵押给 Map3 网络节点,Map3 网络节点要获得节点运营资格需要抵押一定量的 HYN 代币。而获得 Map3 网络节点运营资格之后,用户有机会跟节点一起获得服务收益。

PoH 共识机制探索:如何契合去中心化的地理位置服务

其次,在海伯利安的 Map3 网络中,还有一层基于工作量证明机制,根据其 PoW 有效服务量证明凭证,从 Map3 服务节点中选出有效服务更好的节点参与共识节点竞选,也就是海伯利安中的复抵押资格竞选。根据 PoS 的有效权益质押量大小,成功进入共识节点委员会的节点有机会获得出块奖励。这意味着,一开始给 Map3 网络节点代币质押的 HYN 用户也有机会获得按比例的相应出块奖励。

PoH 共识机制探索:如何契合去中心化的地理位置服务

最后一层就是区块链层,也就是链上的记账层。它由共识节点根据 PoS 权益,竞选出块节点,分享出块收益。

从上可以看出,海伯利安通过将 PoW 的工作量证明和 PoS 的权益证明错层融合,是从整体社群和经济结构角度考虑的,这样可以充分利用 PoW 和 PoS 的各自优点。

Map3 网络的 PoW 工作量证明不仅可以用来评估服务节点的有效服务量,而且它在海伯利安整体经济结构中也具有承上启下的连接作用。本质上,它是一个可自动调节的战略控制点。Map3 网络有很多无须许可的服务节点,但并非所有服务节点都是一样的,这也跟帕累托法则和地图服务性质相关,有些节点的有效服务量更多,质量更好,获得的用户支持更多,它们更有机会进入底层区块链的共识节点参与最终的出块竞选。也就是说,这些服务节点脱颖而出需要得到用户的支持,最终形成一种自下而上的选拔过程,也是层层深入的动态调节过程。

这种层层递进的过程兼具民主和集中的优点,服务节点无须许可,但它又跟服务的用户息息相关,获得用户支持越多,就越有机会进入最终的 PoS 出块委员会。这种 PoW 和 PoS 混合证明的 PoH 机制,可以满足分布式和安全的需求,也可以满足可扩展性的需求。

最终来说,PoW 和 PoS 混合证明的 PoH 共识机制,一是保护了底层区块链网络的安全,二是激励不同参与者融入到网络中作出贡献,形成了自下而上层层递进的过程,三是可以满足分布式地理位置服务的可扩展性需求。

海伯利安的混合证明机制(PoH)如何实现

海伯利安的 PoH 混合证明机制是通过 PoW 和 PoS 错层融合实现的。其中的 PoW 既衡量了不同服务节点的有效工作量,也自发形成了战略控制点,为 PoS 选拔出自下而上的共识节点,从而利于保证底层链的安全,并激励服务节点和客户端用户的更多参与。

  • Map3 网 络的 PoW 共识机制

Map3 网络是去中心化的地理位置服务网络,它为前端应用的用户提供地图等服务,Map3 网络由多节点组成,这些节点是 P2P 的对等网络,它存在的目的是为了提供安全可靠高性能的地理位置服务,其核心并不是进行底层区块链的共识出块的验证,而且提供具体的服务。这种特性决定了其共识机制核心在于工作量的证明,也就是 PoW。不过它的 PoW 跟比特币的计算密集型的 PoW 不同,它的工作量是指实际的地理位置服务工作证明,其核心的工作量就是为客户端提供 API 请求的响应次数。

因此,Map3 的 PoW 机制首先要实现跟其整体的激励目标相同,激励网络的参与节点能够积极加入到整体的地理位置服务网络中,它首先要解决节点为什么要加入到服务网络的问题。

Map3 网络是无须许可的对等节点网络,任何主体都随时加入和退出,这意味着要有足够的激励才能吸引节点参与进来。上面也提到,Map3 网络给参与节点提供两个方面的激励:一是服务收益,二是成为共识节点的资格,以获得出块奖励。

那么,要实现激励,接下来要解决的问题是,如何衡量服务量。这就引出了第二个问题,关于 Map3 节点有效工作量的衡量,它需要公平、易于验证以及可防作弊。如何来实现这一点?这就是海伯利安 PoW 共识机制的由来:它试图通过工作量凭证的产生机制来解决这一问题。

Map3 网络的工作量凭证旨在产生可简单验证的防作弊的工作量证明,从而衡量不同节点的有效服务量。其有效工作量的衡量基于一种用最小哈希值来估算哈希率的计算方法。工作量凭证是由获得其服务的客户端和其他节点提供。所以具体的工作量证明包括为客户端和其他节点提供的服务之和。如果客户端用 c 表示,Map3 节点用 n 表示,那么在一段时间内节点的工作量凭证计算如下图的公式:

PoH 共识机制探索:如何契合去中心化的地理位置服务

其中 Vc 和 Vn 是哈希值,NID 是节点的 ID,AccTKc 和 AccTKn 是服务访问的凭证。也就是说,这里的核心是两个服务访问的凭证。

海伯利安 Map3 网络的 PoW 的有效服务量机制还有利于促进 HYN 代币持有人和 Map3 节点之间的合作,它本质上鼓励节点持续输出高质量的地图服务,如果节点无法提供高质量的服务,一是 HYN 代币持有人不愿意给该节点提供 HYN 代币质押,二是也不愿意调用该节点提供的地图服务。而 PoW 的机制将两者的利益结合起来,节点提供的服务质量越高,被调用服务的次数越多,有效服务量越多,服务收益也越高,持币人也更愿意将其代币质押给这样的 Map3 网络节点。

海伯利安 Map3 的 PoW 机制最后一个满足的是地理位置服务的可扩展性的问题。随着 Map3 地理位置服务的增加,Map3 网络节点向共识节点提交工作量证明也会消耗更多的服务资源,包括带宽和存储空间等。为了实现可扩展性,其 PoW 有一个自适应的机制,可以支持不同规模的 Map3 节点数量。

也就是说,海伯利安会控制提交 PoW 节点的数量。这也跟地理位置服务的特性相关。首先客户端用户和地理位置数据在空间的分布式不均匀,其使用量和 Map3 节点之间的分布符合帕累托法则。

此外,如果将所有地理位置服务行为都通过链上记录并等待共识的达成,那么它将无法支撑亿万次的地理位置服务,而海波利安的 PoW 工作量证明机制,类似于链下的操作,有利于其服务的可扩展。

  • Atlas 底层区块链的 PoS 共识机制

Atlas 链是海伯利安的底层地图公链。它担负了整个地理位置服务生态的链上记账服务。其首要的问题是安全,保证链的无须第三方参与可信任。其次是符合生态激励方向。最后是满足业务的特性。

PoS 共识机制的提议包括出块的节点委员会(涉及到共识节点的选举和轮换)和奖惩机制。当前不同的 PoS 机制有不同的节点选举方式、不同规模的委员会大小等。比如 ETH2.0 采用的是随机选择节点的模式(抵押 32 个 ETH 后获得资格),而 Cosmos 采用根据质押权益多少排序来选择节点;委员会规模上,ETH 当前是 111 个节点,而 Cosmos 在 125 到 200 个节点之间,EOS 是 21 个节点。

海伯利安 Atlas 底层链的 PoS 出块委员会的激活节点为 88 个。委员会的成员资格是流动的,根据链上指标进行自动化的选举产生。按照 24 小时为一个周期,候选节点可以向现有委员会节点发起挑战,挑战需要有成本。根据挑战者的质押权益排序,挑战是否成功,通过铸币信用来确定,铸币信用除了考虑账户余额,还会考虑币龄等,以防止节点的作恶。

结语

不管是 PoW 还是 PoS,其本质上都是区块提议的机制,好的共识机制首先要能够保证链的安全,其次是要符合项目本身的特质。比如价值存储的加密货币和智能合约平台的方向是不同的,这也跟其共识机制存在关联。

海伯利安的 PoH 共识机制跟其地理位置服务的整体结构相关,它的愿景是要形成 One Map,通过 PoW 和 PoS 的混合证明机制,既要实现底层链安全,也需要激励所有参与者的贡献,最后形成符合其业务发展规律的可扩展性。这也是它不同于纯 PoW 和 PoS 共识机制的根本原因。通过将 PoW 和 PoS 错层融合,可以利用两者的优势,可以实现自下而上的层层递进,可以兼顾大多数前端用户、服务节点的利益,同时也能选拔出跟生态关系更加密切的参与者参与共识验证,是一种可以动态调节的机制,能促进参与者的融合进来。

海伯利安的 PoH 共识机制为地理位置服务的去中心化探索提供了技术支撑和激励机制,也为类似的区块链项目发展提供了一个可参考的模式,值得大家关注。

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