許婭倫

（清華大學(xué) 北京市 100089）

所有傳統(tǒng)的付款方式都應(yīng)依賴第三方，由于第三方存在濫用信息或欺詐的風(fēng)險，因此維護(hù)每筆交易安全性的平均成本將增加。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式賬本技術(shù)。它不依賴第三方。所有交易均記錄在分布式賬本中，并由系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行保存和維護(hù)。區(qū)塊鏈?zhǔn)怯梢贿B串的塊組成。每個塊包含一定時間段內(nèi)的交易。系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)都參與維護(hù)鏈。每隔一段時間，就會在鏈的末尾添加一個新塊。

由于信息傳播的異步性，不同的節(jié)點(diǎn)可能收到不同的交易信息。最重要的是：所有節(jié)點(diǎn)維護(hù)的鏈都必須是相同的。因此，需要機(jī)制來使所有節(jié)點(diǎn)決定要維護(hù)哪一條鏈。這種機(jī)制被稱為“共識機(jī)制”。人們提出了許多共識機(jī)制[1]，包括工作量證明（PoW）[2]和權(quán)益證明（PoS）[3]，但這些共識都存在缺陷。

在我們的研究中，我們從信息的角度考慮構(gòu)建一種新的共識機(jī)制來解決已有共識的缺陷。我們希望礦工獲得的報酬取決于他所知道的信息，而不是他所擁有的資本（PoS）或計算資源（PoW）。我們嘗試將預(yù)測市場[4]的理論應(yīng)用到區(qū)塊鏈框架中，建立一個新的共識機(jī)制來聚集公眾智慧并獎勵有智慧的人。

1 相關(guān)工作

1.1 工作量證明

當(dāng)前最流行的共識機(jī)制是工作量證明（PoW）。它在1992年被首次提出，并在比特幣[2]白皮書中被引入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)。這種共識機(jī)制要求用戶解決哈希難題，該難題與他們制造的新塊相關(guān)，我們把這個過程稱為挖礦。解決了難題的礦工將向網(wǎng)絡(luò)中所有人廣播自己的塊。在其他礦工驗(yàn)證塊的有效性之后，他們會將此塊添加到自己的鏈中。為了激勵礦工使用計算資源來解決難題并制造新塊，共識約定給第一個解決難題的礦工一定數(shù)量的代幣。如果難題比較簡單，那么出現(xiàn)新塊的速度將太快，系統(tǒng)不能趨于穩(wěn)定。因此，PoW根據(jù)全網(wǎng)的總計算能力來調(diào)整哈希難題的難度，使得平均每10 分鐘增加一個塊。整體來看，工作量證明會為具有更多計算能力和完成更多計算工作的礦工分配更多獎勵。工作量證明的主要缺點(diǎn)是浪費(fèi)資源。

1.2 權(quán)益證明

工作量證明的替代方案是權(quán)益證明（PoS），有幾種不同的方法可以實(shí)現(xiàn)。PoS 最流行的應(yīng)用是PeerCoin[5]，這也是權(quán)益證明在區(qū)塊鏈中的最早應(yīng)用。在PeerCoin 中，出塊的權(quán)利是在一組礦工中隨機(jī)分配的，每個礦工可以將一些硬幣存儲在特殊的錢包中以競爭出塊權(quán)。礦工贏得出塊權(quán)的概率與錢包中代幣的數(shù)量和代幣在錢包中存儲的時間的乘積有關(guān)。該乘積越大，礦工越有可能贏得出塊的權(quán)利。而且，為了避免壟斷，用于競爭出塊權(quán)的幣齡在礦工使用它們添加新塊后將被清除為0。直觀地講，在PoS 中，礦工擁有的代幣越多，他獲得出塊權(quán)的機(jī)會就越大。另一方面，如果礦工擁有更多的代幣，則他作弊和攻擊系統(tǒng)的可能性就較小，因?yàn)檫@種行為會使他的利益受損害。權(quán)益證明的主要缺陷是無利害關(guān)系問題和長程攻擊問題[6]。

1.3 計分規(guī)則

計分規(guī)則[7][8][9]是一種衡量預(yù)測質(zhì)量的技術(shù)。當(dāng)用戶報告對特定事件的預(yù)測時，可以基于事件的結(jié)果和他的預(yù)測，按計分規(guī)則計算得分，得分用作給予該用戶獎勵的標(biāo)準(zhǔn)。在所有計分規(guī)則中，有一類計分規(guī)則稱為嚴(yán)格適當(dāng)計分規(guī)則，它可以激勵用戶誠實(shí)地報告其預(yù)測。使用嚴(yán)格適當(dāng)計分規(guī)則可從用戶中獲取真實(shí)預(yù)測，這是在本文中應(yīng)用的非常重要的技術(shù)。

2 概念和模型

2.1 基本定義

定義1 嚴(yán)格適當(dāng)計分規(guī)則

假設(shè)Ω 是所有狀態(tài)的集合。計分規(guī)則是函數(shù)S(p,ω):?Ω×Ω →R，其中p 是用戶的預(yù)測。計分規(guī)則S 是適當(dāng)?shù)?，如?/p>

如果不等式嚴(yán)格成立，S 是嚴(yán)格適當(dāng)?shù)摹?/p>

適當(dāng)計分規(guī)則意味著從用戶的角度來看，當(dāng)用戶誠實(shí)地報告其預(yù)測時，用戶的預(yù)期收入將最大化。如果計分規(guī)則嚴(yán)格適當(dāng)，那么用戶將更希望在提交預(yù)測時保持誠實(shí)。

2.2 模型

假設(shè)有n 個用戶，向區(qū)塊鏈系統(tǒng)提交預(yù)測。結(jié)果ω∈Ω 將在時間段T 中出現(xiàn)。

用戶i 在時間 可以觀察到變量oi。oi是用戶i 的私有信息，不被其他用戶所知道。用戶i 可以在任何時間點(diǎn)報告。在一個用戶提交了自己的預(yù)測后，其他用戶可以獲取有關(guān)oi的部分信息并更新自己的信息集。但是用戶可能說謊，不誠實(shí)的報告會誤導(dǎo)他人。

機(jī)制是一個函數(shù)：

我們定義該機(jī)制需要滿足的性質(zhì)。

定義2 誠實(shí)性

如果用戶如實(shí)報告xi時獲得最大報酬，則該機(jī)制是誠實(shí)的。如果他在撒謊時效用一定減少，則該機(jī)制是嚴(yán)格誠實(shí)的。

定義3 個人理性

如果沒有用戶因參與該機(jī)制而蒙受損失，則共識機(jī)制是個人理性的。

定義4 及時性

如果用戶延后報告時不會獲得更高的效用，那么一個機(jī)制是及時的。

定義5 抗復(fù)制性

如果任何用戶在兩次報告相同的預(yù)測后仍無法提高其效用，則共識機(jī)制具有抗復(fù)制性。

3 共識機(jī)制

我們在此提出一種稱為密封預(yù)測機(jī)制的新共識機(jī)制。只有在真實(shí)結(jié)果公布之后，所有的預(yù)測內(nèi)容才被顯示出來。xi僅取決于可觀察到的oi。

所有用戶在提交預(yù)測時，必須同時進(jìn)行押注。假設(shè)用戶i 提交了預(yù)測xi，并且押注Ki。S 是嚴(yán)格適當(dāng)計分規(guī)則。在最終真實(shí)狀態(tài)為ω∈Ω 時，用戶i 的收益為：

機(jī)制中的獲勝者是：

該共識機(jī)制滿足所有前述性質(zhì)，簡要證明如下：

證：由于該機(jī)制不涉及信息更新，因此所有用戶都沒有動機(jī)在收到任何信息前報告或推遲報告，該機(jī)制是及時的。

如果最終真實(shí)狀態(tài)是ω∈Ω，用戶i 的收益是：

根據(jù)嚴(yán)格適當(dāng)計分規(guī)則：

因此該機(jī)制是誠實(shí)的。

由于該機(jī)制是誠實(shí)的，因此如果用戶重復(fù)建立帳戶，則他應(yīng)誠實(shí)地報告來最大化其效用，所有賬戶將會提交相同的預(yù)測。將一個帳戶拆分為兩個帳戶將不會更改其總資產(chǎn)，即總押注額。 因此，該機(jī)制是抗復(fù)制的。

4 總結(jié)

本文提出了一種新的共識機(jī)制，該共識機(jī)制使用預(yù)測質(zhì)量作為區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的證明。 我們率先將預(yù)測市場的理論應(yīng)用到區(qū)塊鏈共識中，避免了先前區(qū)塊鏈共識的缺點(diǎn)，可以節(jié)省電力資源，避免資本壟斷。在未來的工作中，密封報告共識機(jī)制可以轉(zhuǎn)換為順序報告機(jī)制，使得用戶可以更新其信息和預(yù)測。