ROL:圖靈機的紙帶：簡析 Arweave 存儲計算新范式

從2020年初開始，以太坊DeFi呈爆發式的增長，由COMP，YFI等引發的流動性挖礦導致以太坊急劇擁堵，礦工費一度提高至500Gwei，DeFi手續費高達上百美金。以太坊擁堵不堪，亟需一種可擴展的智能合約方案。

10月上旬，V神發表評論「以Rollup為中心的以太坊路線圖」，開啟了二層網絡浪潮，ZKRollups和OptimismRollups競相出鏡。ZKRollups和OPRollups采用了兩種完全不同的證明模式，分別是：有效性證明和錯誤性證明。

ZK的有效性證明是將一批次的交易和對應的完整性證明發送到以太坊的智能合約進行驗證，如果驗證正確則被合約接受，驗證錯誤則拒絕交易；OP屬于錯誤性證明，是數據狀態運營者將數據提交，并附加押金，在一段時間內任何人都可以發布非交互式的錯誤證明，如果這段時間內無人成功驗證錯誤，則狀態獲得終局性，反之，成功證明錯誤則會罰沒運營者押金。

ZK和OP的區別在于對狀態終局采用了兩種不同的方式。我把ZK類比為PoW，他是通過密碼學算法驗證結果有效性；而OP更像是PoS，是運營者抵押資金，采用了一系列的「治理」手段達到最終目的。ZK由于密碼學理論和技術的限制，由于其「指令集」過于簡潔，難以處理復雜的業務程序；OP的問題在于治理機制，需要將資金進行鎖定并限制了流動性。

QitChain2022年度技術重點突破 實現圖靈完備的虛擬機:據官方年度報告披露：Qitchain主網自2021年9月15上線后，整體網絡數據統計如下：

區塊高度：103352；持幣地址數：300,000 +；總計交易筆數：350,000 +；網絡容量：450,000 TB +；節點總數：1000 +；2022年將1,繼續增加網絡節點數；提升網絡容量；優化I/O性能與底層數據庫結構；增強數據校驗有效性等.2、實現圖靈完備的虛擬機.3、初步的去中心化應用與搜索引擎.4、更加強大的社區生態建設。[2022/2/10 9:43:38]

不管是ZK還是OP，能對以太坊進行擴容的根本都在于對數據壓縮和鏈外計算。如下圖所示，為了節省一層網絡的負載，數據進行了極大的壓縮并將計算遷移到二層進行處理，此時一層存儲的數據減少，并且只需要對狀態進行驗證即可，極大的降低了一層的負載。

但是降低負載并不代表無限負載。一層的區塊大小和gas具有上限，并且在將來仍有大量的gas會消費在一層DeFi和組合性應用中，因此二層必定會和一層搶占資源，并且多個二層之間也會涉及到資源搶占問題。最終在有限資源下會不會存在某些二層無法上鏈、無法打包交易，那么二層是否會因此停機？就算二層不進行停機，一直在二層進行沒有限制的交易，當資產需要要回到一層時，是否會存在過多的數據需要在一層驗證，最終導致無法驗證。另外，二層的組合行也是一個比較嚴重的問題。

中戰科技與圖靈云儲簽訂7000萬元分布式存儲中心項目合同:4月28日，中戰科技（北京）有限公司宣告稱，基于對IPFS星際文件系統、分布式存儲系統在今后國內數據中心大規模使用的共同判斷與良好預期，本著互惠互利共同引領國產化分布式存儲、超算中心的戰略目標，以及平等自愿、誠實信用的原則，2021年4月28日公司與山東圖靈云網絡有限公司簽訂了《分布式存儲中心項目》銷售合同，公司負責圖靈云儲分布式存儲中心項目計劃所需算力機與存儲設備的研發、供貨、安裝、調試、軟件配置及數據中心維護工作，合同金額為7000萬人民幣。[2021/4/28 21:06:19]

以太坊是一臺「世界計算機」，其設計初衷即是在區塊鏈上完成計算和存儲。在鏈上做計算意味著區塊鏈網絡中的所有節點都必須對計算過程進行處理，鏈上計算模式的成本不可能太低。就算采用二層的擴容方式，也僅僅是對數據和計算進行了壓縮，但仍然需要計算過程在一層進行處理。

本文旨在介紹一種新的計算范式，與以太坊在鏈上計算的模式不同，該計算范式將計算完全放在鏈下，鏈上只作存儲，此時區塊鏈僅需要保證存儲的可用性和確定性。假設一個計算的入參是確定性的，那么這個計算的輸出結果也應該是確定的。比如xy=z這個程序，如果x和y的值都是在鏈上記錄，分別是x=1和y=2，那么公式在任何地方計算結果z始終為3。只要程序的參數在鏈上確定性的記錄下來，那么程序其實也不需要在鏈上運行，其結果依然是確定可信的。由于計算過程與鏈完全解耦，計算參數完全依賴確定性存儲，我們將這樣的計算范式稱為：存儲計算范式。

動態 | Unwriter 推出圖靈完備鏈下比特幣交易去中心化賬本 Overpool:匿名開發者 Unwriter 宣布推出圖靈完備的鏈下比特幣交易去中心化賬本 Overpool ，根據其發布的文檔描述，Overpool 允許用戶毫不費力的設置一個 HTTP 端點，接受用戶已簽名或未簽名交易，創建一個帶有時間戳標記的鏈下賬本，同時可將選擇將交易在廣播之前以去中心化的方式在 DAT P2P 網絡上共享。Overpool 提供基于文件的分類帳本，不僅提供了可追溯性，還允許直接輸入諸如 Neon Planaria 之類的狀態機框架。與 Neon Planaria 結合使用時，Overpool 即成為一個圖靈完備的系統，可循環交易直到準備好提交上鏈。Neon Planaria 即將在原生系統中支持此功能，不過，即使不使用 Neon Planaria，也可以僅從 Overpool 分類帳中構建圖靈完備系統。目前該服務已獲得 MIT 許可證，可與任何區塊鏈一起使用。從理論上講，這可以使 BTC 和 BSV 區塊鏈協調工作，讓 BTC 區塊鏈具有自己的共識規則和區塊大小的池，并在必要時提交 BSV 鏈。[2019/9/26]

圖靈機，回歸本源的存儲計算范式

精選 | 圖靈獎得主Silvio Micali破解區塊鏈在擴展性、安全性、去中心三者兼容難題:圖靈獎得主、美國麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室（MIT CSAIL）教授Silvio Micali提出了一個解決方案——Algorand，破解了區塊鏈在擴展性、安全性、去中心三者不可兼得的難題。Silvio Micali表示，Algorand由“algorithm”（算法）和“random”（隨機）兩個字組合而成，有“純粹的權益證明”（PPOS）,每一枚代幣都擁有相同權利，不需要提出作為抵押;超快速拜占庭協議，即時發起與確認來形成共識;能夠持續“演化”的區塊鏈,解決分叉問題。

通過所有代幣權利相等、每個步驟皆隨機替換參與者，來確保整個網絡可以最大程度去中心化；而 Algorand 借由加密抽簽組建臨時驗證委員會來減輕工作量、提升效率，也保證了網絡的可擴展性；且因驗證者皆為隨機加密選出，也來不及篡改或撤回他們對外發出的消息，下一輪又將是新一批隨機選出的參與者，所以也讓安全性有極大的保證。[2018/9/23]

我們知道，不管是馮諾依曼結構還是哈佛結構的計算機，其本質都是一臺通用圖靈機。

圖靈獎得主Silvio Micali融資400萬美元 構建更好區塊鏈:Silvio Micali是麻省理工學院（MIT）教授和圖靈獎得主，他和該校開發人員一起構建了Algorand區塊鏈協議，并且成功募集到了一筆400萬美元的種子輪融資。據悉，本輪融資的投資方包括知名風投Pillar和Union Square Ventures。Algorand協議能夠幫助構建數字貨幣和交易平臺，基礎協議是由Si ...[2018/2/17]

圖靈機是一臺假想的機器，由一條無限長的紙帶和一個帶狀態寄存器的紙帶讀取機器組成。讀取器會在紙帶上來回移動并將新的參數寫入紙帶。這樣一臺假想的機器可以進行任意復雜的計算。

借助區塊鏈技術，我們可以將圖靈機的紙帶替換為區塊鏈，可以得到下圖中的新型計算模型：

可以編寫一個業務程序，將程序的代碼提前上傳到區塊鏈上。任何人都可以將程序從可信的區塊鏈中下載并運行起來，程序的讀取和輸出端都是區塊鏈。由于區塊鏈具備可追溯、不可偽造的特性，因此鏈下程序的輸入輸出也具備確定性。程序加載來自區塊鏈的確定性參數，最終生成的程序狀態也是確定性的。

存儲計算范式將程序的源代碼、輸入輸出存儲在區塊鏈上。運行程序時，加載鏈上可信的源代碼，對鏈上的可信參數進行鏈下計算，輸出狀態也必定具備一致性。任何人都可以運行程序，任何人運行的結果都一致的，達到可信計算的目的。

模型理論上可行，但將以太坊作為確定性存儲依然過于昂貴，會到導致應用的成本激增。使用以太坊有限的區塊大小作為存儲也會使應用的擴展性大打折扣。借助Arweave，一條以永久存儲為目標的區塊鏈，我們可以將存儲計算范式進行實踐。

Arweave原理簡介

Arweave是一個基于區塊鏈的文件存儲協議，它具有一次性付費，永久存儲文件的特點，它實現了一套簡單的經濟激勵規則，讓礦工能長久的存儲數據。

永久存儲是AR的核心功能，因此首先需要明確永久存儲的成本。統計發現存儲成本每年都在以驚人的速度降低，其中每GB的存儲成本平均每年下降30.57%。經計算，成本會收斂到一個常數，得出一個永久存儲的成本。AR使用這個收斂的永久成本作為數據存儲的收費基準。下圖所示，存儲1GB的數據消費2.45個AR，花費約為$9.8。

在有了收費基準后，怎么讓礦工永久保存這些數據呢？AR引進了全新的挖礦機制：開采一個新的區塊時，會隨機鏈到先前的一個「回憶塊」，要求礦工證明可以訪問這個回憶塊的數據，才能開采出一個有效的新區塊。這會激勵礦工盡量多的存儲歷史區塊。同時，該算法還激勵礦工存儲「稀有」區塊，因為當稀有區塊被選為回憶塊時礦工能在更小的競爭下開采出新的區塊，以達到數據永存的目的。

AR能保證數據永存、價格穩定，便宜。依賴區塊鏈技術，AR存儲的數據也具備可驗證可追溯的特性，非常適合作為可信計算的「圖靈機紙帶」。

總結

存儲計算范式能運行的關鍵在于數據永存和成本固定，只有永存能使數據始終「可得」，得到這些數據才能在鏈下計算出一致性的狀態；成本的固定或低廉，能讓應用的共識成本始終保持在一個穩定的范圍，不會像以太坊那樣，在區塊擁堵的情況下出現激烈競爭資源的情況，穩定的成本使應用更具備可用性。

將存儲計算范式與AR結合，我們可能獲得了一個比較完美的確定性圖靈機，一個可以實踐應用的新型可信計算模型。

存儲計算范式至少具備以下優勢：

可以進行任意復雜度的計算。計算能力取決于鏈下機器的性能；

降低共識成本。共識的成本僅包含存儲成本，不再包含計算成本。計算成本由應用的運營者提供；

具備可組合性和優秀的「分片」能力。應用只需要從鏈上加載自己關心的數據，多個應用之間組合時加載多個應用的數據，運營者不再需要下載所有數據；

極強的可拓展性。一是共識成本的的降低提高了拓展性，二是數據不僅是下載「分片」，也能達成上傳「分片」，因此性能瓶頸僅僅是網絡帶寬；

不限制編程語言。只需要將目標程序提前存入區塊鏈并將程序的所有入參序列化上鏈。

我們對Rollups和ETH2.0進行了深入研究，所有的努力方向都在將計算鏈外化，而最終的目標可能就是完全的鏈下計算。在探索的過程中，可以得出這樣一個結論：在程序沒有二義性的情況下，只要輸入輸出的存儲具備確定性，那么程序的計算結果也一定具備確定性。

存儲計算范式是一種完全不同于以往區塊鏈計算模型的新事物，或許還需要很多時間讓大眾來接受和認可，但它一定是更接近本質的優秀可信計算范式。

感謝以太坊愛好者阿劍老師對Rollups和ETH2.0的深度解讀，星火礦池喵叔對SmartWeave的引介以及星火礦池李培對Arweave和LazyLedger的深入研究。

原文標題：《區塊鏈存儲ARWEAVE：圖靈機的紙帶，可信計算新范式》

撰文：outprog，imToken后端開發與智能合約開發

Tags：區塊鏈以太坊ROLLROL區塊鏈的未來發展前景與應用以太坊硬幣圖片TROLLThe Troller Coin

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