LEC:技術 | Filecoin的共識機制的實現進化與自然常數e的關系

作者：StevenLi

來源：IPFS原力區

老子曰：“人法地、地法天、天法道、道法自然”。在區塊鏈的實踐中，由于是建立CodeisLaw的體系，遵循InMathWeTrust的法則。在一個不受個體控制的網絡，遵循自然的法則尤其重要。我提倡Filecoin的設計從簡、自然。也是這個道理。

自然常數e，是一個神奇的數，在數學中又極為自然。本文講一講Filecoin的共識機制的實現進化與自然常數e的關系。

內容提要

一、自然常數e

二、初期預期共識空塊率過高：1/e

三、預期共識的實現是一個不段發現的過程

四、tipset區塊數預期提升，安全性和效率的兼顧

五、讓每一個字節都參與投票：優雅的密碼抽簽+e

數學常數e

e被成為自然常數，在數學家的眼里，這個常數非常自然。但是，對于普通人而言，對于e，由于沒有形象化的描述，就很難理解。本文通過e在Filecoin中的應用，希望能夠找到一些點，能夠幫助大家1）了解Filecoin的一些設計；2）通過Filecoin得到一點e的形象化的描述和印象。

常見的比較復雜的有意思的數學常數有兩個，一個是?π，一個是e。大家對π都非常熟悉，因為它有一個非常形象化的名字，叫圓周率，也就是說是任何一個圓的周長和直徑的比值。非常形象，非常容易理解。小學不學的話，初中總會學到了。

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其實e是與?π同等重要的一個數學常數，在數學中的使用一點也不比π少。比如就在我們今天所討論的Filecoin區塊鏈中，e在很多地方被使用，而π則不然，基本上沒有被用到。

π=3.1415926535897......

e=2.718281828459045......

π和e同為超越數，即不是代數數，當然也是無理數，無限不循環小數。

但其實，e和?π在數學中有非常緊密的關系。甚至可以說，e就是?π的另一種表示方法。為什么呢，請看最優雅數學公式-歐拉公式：

為什么優雅，這個一個簡單的公式把數學中的5個元素十分簡單地統一在一起了。就像物理學家希望統一力場一樣，數學家也有把總結簡潔規律的偏執。

這個公式也表達了e和?π的簡單直接的關系。當然，他們之間還有一些有意思的關系，比如：

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但是，這些仿佛把事情更加復雜化了，對于e本身的理解并沒有幫助。到底e是什么呢？數學中會講，e是自然對數的底，它的一個總要特點就是e^x的導數還是e^x，同時，e可以通過下式來表達和計算：

稍微形象一點的表達，就是在復利的計算上，e表達一個在一段時間內翻倍增長的利率，進行極限的連續復利計算能夠達到的極限值。也就是說，如果年利率是100%，你如果無限細分一年到n個時間段，那么每個時間段的利率為1/n，而最終你能得到的連本帶利的收入為e倍，也就是2.7倍多一些。

這仍然不夠形象，那么下面映射到Filecoin的共識機制來看一看。

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Filecoin預期共識與自然常數的關系

先來復習一下Filecoin白皮書里面描述的預期共識。在go-filecoin的早期實現中，采用的是簡單的預期共識，也就是說，每一個礦工按照自己的算力與總算力的比來獲得出塊權的概率。因為所有礦工的算力之和等于總算力，所以系統每一輪的總出塊概率的期望值為1。簡單來說，就是每一輪平均出一個塊，但是，每個礦工獨立計算，因此，每一輪的出塊數可能是各種各樣的。

那么在這種情況下，我們建立一個簡單模型來進行一個推演。假設系統中的礦工數為n，每個礦工的算力占比為1/n，那么，每一輪呢每個礦工的出塊概率為1/n。

這樣，一輪中出現空塊的概率為：

如果n足夠大，那么，可以求得：

浙江省多家銀行機構都已在積極擁抱區塊鏈技術 區塊鏈賦能銀行新活力:錢江晚報發文稱，浙江省多家銀行機構都已在積極擁抱區塊鏈技術。近日，建設銀行浙江省分行與杭州聯合銀行合作，實現業內首筆跨行區塊鏈福費廷（出口信貸的一種類型）交易，這是建設銀行在“區塊鏈+貿易金融”領域的又一重大突破。此外，杭州銀行也在不久前宣布與騰訊聯手打造智慧銀行，深入探索在區塊鏈、大數據、AI等新技術應用的實踐。據悉，今年浙商銀行將區塊鏈技術運用于財富管理的“財易云”平臺，日前已投產上線。[2018/3/13]

也就是空輪的概率超過三分之一，這個就太高了。

那么出塊數為1的概率有多大呢，可以簡單做如下計算：

仍然只有三分之一多一點。剩下的不到三分之一的概率都是多塊的輪次。這個結論與開發網當時的測試是完全吻合的。

從這里，我們找到了一個對于自然常數e的一個更形象化的解釋，那就是：在一個有很多人參與的獨立投票選舉中，每個人的贏得選舉的概率相同，同時預期贏得選舉人數為1的情況下，不能得出選舉結果的概率為e的倒數，也就是1/e。

預期共識的實現是一個不斷發現的過程

開發網出現的空塊率過高的情況，我們做了模擬，并與Filecoin研究開發團隊進行了討論。顯然，這么高的空塊輪次比例是不好的，這是的區塊時間不固定，交易時間預測起來也比較困難。

騰訊區塊鏈總經理蔡弋戈：希望通過區塊鏈技術 賦能小微企業:財聯社2月4日訊，騰訊區塊鏈總經理蔡弋戈在2月3日的“2017-2018中國區塊鏈風云榜盛典”中提到，騰訊目前的定位是希望通過區塊鏈技術，賦能小微企業，降低社會融資成本，提升資金配置效率、提升流動性。通過騰訊區塊鏈技術和運營資源，來鏈接核心企業資產端和金融機構資金端，實現對小微企業流動性的支撐。[2018/2/4]

那么，一個簡單的改動是什么呢？那就是增加每一輪的區塊預期數量。因為預期共識本來一輪就可能出現多個區塊，在實現中采用tipset的方式進行組合，那么增加區塊的預期數量，對于設計實現而言非常簡單。

在測試網之前，Filecoin實現引入了預期每輪區塊數這個概念，這個被定義為E。當前默認：E=5

既然，預期區塊數提高了，最簡單的方法就是把每個礦工的出塊概率提高5倍。但是，礦工出塊的計算采用擲骰子的方式。也就是產生一個256位空間中的一個數，來比較自己的算力占比，從而判斷是否擁有出塊權。這里就有一個數據越界的問題。Filecoin的實現在這個判斷上走過三個階段：

階段一：每個礦工按照自己的算力再進行切分，分別按照更小的份額進行選舉，如果贏得選舉就獲得一票。相同默認算力都按照每25個sector來進行統一切分。這個辦法的好處是每一個選舉人算力都基本一樣，進行公平選舉。但是，由于每25個sector都要進行單獨計算，每一個部分都需要I/O訪問，時間消耗較大。Filecoin團隊的最初目的是把這個出塊權和時空證明放在一起。但是，最后從安全的角度來考慮，由于計算相對復雜，還是放棄了。

階段二：直接極致簡化，不考慮越界的問題，直接乘以5進行比較計算。這個是在時空證明已經通過WindowedPoSt替代SurprisedPoSt的情況下的一個簡化措施。但是，這樣做有兩個問題：1）對于算力大于20%的礦工肯定是吃虧的；2）當礦工算力足夠大時，一定能夠贏得選舉。這第二個問題比較嚴重。我們慎重提出，這是一個安全問題，應該改。

階段三：采用密碼抽簽的方式，借鑒Algorand采用的算法。逐漸走向完善。

讓每一個字節都參與投票

Algorand的密碼抽簽是一個非常好的概率分布在選舉上的應用，對于區塊鏈POS網絡而言，非常棒。實現起來比較簡單直接。其具體算法如下：

這里不做詳細解釋，需要的人可以查詢相關資料。簡單地說，就是在POS選舉過程中，當你憑借自己產生的可驗證隨機數進行抽簽的時候，可以通過你自己的份額和相應二項式分布來看你落在哪一個區間，從而判斷你獲得了多少選票。

二項式分布是n個相同概率的獨立時間單獨計算而后相加的一個分布，而且整個分布正好切分整個概率空間。因此只需要看你的可驗證隨機數在那個空間就可以了。

那么對于Filecoin而言，參與選舉的份額就是你的算力。如果按照前文中說的階段二的方式，可以再進行細分，那么可以考慮為每一個字節都參與投票。這樣一來，參與投票的選舉人數量非常大，整個計算不用采用二項式分布，完全可以采用泊松分布來進行計算。泊松分布的計算公式如下：

這里?λ是自己的份額與預期總選舉票數的乘積。在Filecoin中，它就是

E*mPow/totPow；k是獲得選舉權的數量。

看一下上式，是不是很神奇？自然常數e再一次用到了Filecoin的選舉的計算之中。采用泊松分布進行計算是Filecoin的一個改進，非常符合Filecoin的特點，同時計算也非常簡單。

采用密碼抽簽之后，就不能保證每一輪都一定會有礦工拿到出塊權了，這很正常，因為每個人都自己擲骰子，出塊權的計算是獨立的。這樣的話，實際上每一輪贏得不同的出塊選票的概率有多大呢？簡單做一個模擬可以得出下表：

這里空輪的概率是e^-5。

也就是說，預期大約不到200個高度就會出現一個空輪。看起來還好。而每輪選票數為3，4，5，6，7分布較多也比較均勻。選票數高達15張的情況也不少，大概萬分之1.6。

看到這里，您可能會想，e是不是與概率的關系比較大，其實我可以告訴你，π在有些時候也會用到概率計算之中。因為這兩個常數就是有牽扯不清的關系。

Filecoin中自然常數不僅僅用于選舉

自然常數e在選舉之中的使用，至此顯得非常自然，而且也比較優雅。

同時，Filecoin在Token釋放上，也利用e進行計算。這個與概率無關，而是與衰減有關。Filecoin不采用周期性減半的方式進行Token釋放，而是模仿放射性衰減，也就是指數衰減。白皮書設計為6年減半。而一般說來，衰減的公式可以寫為：

上式可以理解為：初始Token為N0，隨時間推移，系統通過釋放，在t時間點系統中還應該保留的Token量N(t)的計算公式。

看這里，再一次出現了自然常數e。當然這里不一定非要用e的。但是由于e的使用非常廣泛了，用起來方便順手。所以基本上現在這是一種統一的用法。

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