捕获科技:区块链中的机制设计挑战

2019-10-23

捕获科技:从区块链吸引人的地方切入区块链设计中的挑战:朝向真正去中心化的机制设计。区块链解决了在不可信信道上传输可信信息、价值转移的问题,而共识机制解决了区块链如何在分布式场景下达成一致性的问题,奠定了比特币系统的安全性。


区块链里的机制设计?


机制设计是利用设计思维和数学方法为数字社会设计规则。对于去中心化自治组织,如何使每位成员都接受所创建的社区规则,一直都是一个问题。我们该使用何种工具确保区块链技术下的投票规程公平公开?规则在得到一致认同和接受后,就需要使用技术来创建代码,确保规则能得到自动执行。这一代码就是组织的法律。


机制设计产生时代背景


上个世纪的20~30年代,西方经济学界爆发了一场非常著名的社会主义大论战。


米塞斯和哈耶克等自由主义经济学家认为,社会主义不可能获得维持经济有效运转的信息;而兰格和雷纳等人作为论战的另一方则认为,利用一种分散化的社会主义经济机制,通过边际成本定价的方式能够解决信息量要求过大的问题,并进而保证资源的有效配置。


哈耶克等人对此提出了一个更加深入的问题,即在企业拥有私人信息的情况下,政府如何保证企业如实显示其边际成本,又怎样才能激励企业完成生产任务并且按照边际成本来定价呢?


随着论战的不断深入,学者们思考的问题已经不再仅仅局限于最初争论的核心问题——分散化的社会主义经济机制能否最终导致资源有效配置,而开始转向一个更加一般化的问题,即什么样的经济机制才是好的?


或者说,当一个国家面临着两种或多种不同的可供选择的经济制度时,应该如何进行取舍?其判断的依据又是什么?


按照亚当·斯密的设想,市场这只看不见的手在理想情境中能够有效配置资源。但现实世界是不理想的,总存在各种各样的约束,使得市场作用不能充分发挥,即市场总是容易失灵的。


像在不完全竞争、不完全信息、外部性、公共物品、规模报酬递增以及不可分商品等情况下,市场机制就不能自动实现资源的有效配置。以不完全信息为例,我们所面临的是一个信息不完全的社会,任何人都不可能充分掌握其他人的所有私人信息。


由于所有个人信息不可能完全被一个人掌握,所以人们总是希望分散化决策。然而,有关个人偏好和可用生产技术的信息分布在众多参与者中,他们很可能会隐藏自己的真实信息,并利用私人信息来最大化个人利益。从社会总体的角度来看,这将导致资源配置效率的损失。


既然市场机制并不天然就是完美无瑕的,那么是否存在其他机制能够替代或改进市场机制,以保证资源的有效配置呢?或者更一般地,对于给定的经济环境,是否存在一个或多个机制来保证既定社会目标(通常是资源配置实现帕累托最优)的达成。


如果存在,那么什么样的机制能够用更少的信息或更低的成本就能实现既定目标。通常认为,评价某种经济机制优劣的基本标准有三个:资源的有效配置、信息的有效利用以及激励相容。资源有效配置通常采用帕累托最优标准,有效利用信息要求机制运行需要尽可能低的信息成本,激励相容要求个人理性和集体理性一致。


这样,问题就变成是什么样的经济制度能同时满足以上三个要求。为了满足或无限接近这三个要求,该如何设计经济机制的具体运行方式呢?


机制设计三个基本概念


其一是激励相容(incentive compatibility)。就是在设计机制的时候,要考虑一个基本的约束条件,就是人们会利用自己的私人信息为自己的利益去做选择。也就是说,你设计的机制必须要与人们的自身激励相一致。赫维茨最早把激励相容作为一个约束条件引入机制设计问题。


其二是显示原理(revelation principle)。在激励相容的约束条件下来设计最优机制通常是一个很复杂的数学问题。迈尔森把这个复杂的问题简化成一个较为简单的数学问题。它所对应的是一组特殊的机制,即直接显示你的私人信息的机制,它们被称为直接机制。迈尔森证明了在寻找最优机制时,只考虑直接机制与考虑全部机制是等价的。


其三是实施理论(implementation theory)。给定一个目标,是不是可以设计出一个激励相容的机制来实现这一目标呢?通常在一个机制下有很多均衡点,有的均衡点能实现目标,有的则不能。这被称为实施理论。


常见区块链共识模型

1·POW—— Proof of work,工作量证明

依赖机器进行数学运算来获取记账权,资源消耗相比其他共识机制高、可监管性弱,同时每次达成共识需要全网共同参与运算,性能效率比较低,容错性方面允许全网50%节点出错。


2·POS——Proof of Stake,股权证明

Proofof Stake由Quantum Mechanic 2011年在bitcointalk首先提出。存在一个持币人的集合,他们把手中的代币放入POS机制中,这样他们就变成验证者。如果在一定时间内,这个验证者没有产生一个区块,则选出第二个验证者来代替来产生新区块。与POW一样,以最长的链为准。


3·DPOS——Delegated Proof of Stake,委任权益证明

与PoS的主要区别在于节点选举若干代理人,由代理人验证和记账。其合规监管、性能、资源消耗和容错性与PoS相似。类似于董事会投票,持币者投出一定数量的节点,代理他们进行验证和记账。


DPoS的工作原理为:去中心化表示每个股东按其持股比例拥有影响力,51%股东投票的结果将是不可逆且有约束力的。其挑战是通过及时而高效的方法达到51%批准。为达到这个目标,每个股东可以将其投票权授予一名代表。获票数最多的前100位代表按既定时间表轮流产生区块。每名代表分配到一个时间段来生产区块。所有的代表将收到等同于一个平均水平的区块所含交易费的10%作为报酬。如果一个平均水平的区块含有100股作为交易费,一名代表将获得1股作为报酬。


PBFT——Practical Byzantine Fault Tolerance,实用拜占庭容错算法

PBFT:Practical Byzantine Fault Tolerance,实用拜占庭容错算法

PBFT是一种状态机副本复制算法,即服务作为状态机进行建模,状态机在分布式系统的不同节点进行副本复制。每个状态机的副本都保存了服务的状态,同时也实现了服务的操作。将所有的副本组成的集合使用大写字母R表示,使用0到|R|-1的整数表示每一个副本。为了描述方便,假设|R|=3f+1,这里f是有可能失效的副本的最大个数。尽管可以存在多于3f+1个副本,但是额外的副本除了降低性能之外不能提高可靠性。


目前主流共识机制的问题

POW不足:

目前bitcoin已经吸引全球大部分的算力,其它再用Pow共识机制的区块链应用很难获得相同的算力来保障自身的安全;挖矿造成大量的资源浪费;共识达成的周期较长。


POS不足:

还是需要挖矿,本质上没有解决商业应用的痛点;所有的确认都只是一个概率上的表达,而不是一个确定性的事情,理论上有可能存在其他攻击影响。


DPOS不足:

整个共识机制还是依赖于代币,很多商业应用是不需要代币存在的。对多个区块序列号的共识决策可以同时进行。


新的尝试与挑战

为了解决集中的问题, Skypoint使用了分布式的共识算法 obelisk。根据信任网络, obelisk分散各要素对网络的影响。网络由节点(如计算机、 Skyliner等)而不是矿机组成,每个节点都订阅许多被信任的节点。拥有更多订阅者的节点具有更大的影响力


Skycoin是一个完整的生态系统,加密货币只是其生态系统的一部分。Skycoin还包括取消挖矿奖励、开发节能定制硬件、实现能与Visa相似项目匹敌的交易速度,以及创造 更 安全、更高效的互联网。


Skycoin独特的共识算法:Obelisk


核心原理:在这个共识算法系统(Obelisk)每个Obelisk节点(天空币共识节点)有一个公钥(身份)和个人区块链(公共广播频道)。每个人都可以阅读及检查链,但是只有拥有者可以为链铸造区块。一个私有链要想有效,每个区块必须通过拥有者的私钥签名。


共识算法的优势:


(1)扩展性好,计算成本低

(2)不依赖于采矿奖励,不易受PoW/PoS 漏洞的影响

(3)信任网络共识防止中心化趋势,可抵御大规模、有组织的攻击


为了解决与比特币系统有关问题,天空币的底层技术是以公共广播频道的形式实施区块链。Obelisk共识算法作为天空币生态系统能够安全、高效运行的核心,实现0费用2秒确认。


在公网中运行良好,已经能实现200毫秒级别的交易速度。在封闭的企业网络中,只需很有限数量的节点,能运行更快,并且可以实现去中心化组织选举。作为核心技术来讲,不管是设计初还是目前能达到的阶段,都对安全、速率提出了更高的要求,在这方面已经实现了解决BTC现有问题的承诺。

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