技术 | Filecoin的共识机制的实现进化与自然常数e的关系

作者：StevenLi

来源：IPFS原力区

老子曰：“人法地、地法天、天法道、道法自然”。在区块链的实践中，由于是建立CodeisLaw的体系，遵循InMathWeTrust的法则。在一个不受个体控制的网络，遵循自然的法则尤其重要。我提倡Filecoin的设计从简、自然。也是这个道理。

自然常数e，是一个神奇的数，在数学中又极为自然。本文讲一讲Filecoin的共识机制的实现进化与自然常数e的关系。

内容提要

一、自然常数e

二、初期预期共识空块率过高：1/e

三、预期共识的实现是一个不段发现的过程

四、tipset区块数预期提升，安全性和效率的兼顾

五、让每一个字节都参与投票：优雅的密码抽签+e

数学常数e

e被成为自然常数，在数学家的眼里，这个常数非常自然。但是，对于普通人而言，对于e，由于没有形象化的描述，就很难理解。本文通过e在Filecoin中的应用，希望能够找到一些点，能够帮助大家1）了解Filecoin的一些设计；2）通过Filecoin得到一点e的形象化的描述和印象。

常见的比较复杂的有意思的数学常数有两个，一个是?π，一个是e。大家对π都非常熟悉，因为它有一个非常形象化的名字，叫圆周率，也就是说是任何一个圆的周长和直径的比值。非常形象，非常容易理解。小学不学的话，初中总会学到了。

其实e是与?π同等重要的一个数学常数，在数学中的使用一点也不比π少。比如就在我们今天所讨论的Filecoin区块链中，e在很多地方被使用，而π则不然，基本上没有被用到。

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π=3.1415926535897......

e=2.718281828459045......

π和e同为超越数，即不是代数数，当然也是无理数，无限不循环小数。

但其实，e和?π在数学中有非常紧密的关系。甚至可以说，e就是?π的另一种表示方法。为什么呢，请看最优雅数学公式-欧拉公式：

为什么优雅，这个一个简单的公式把数学中的5个元素十分简单地统一在一起了。就像物理学家希望统一力场一样，数学家也有把总结简洁规律的偏执。

这个公式也表达了e和?π的简单直接的关系。当然，他们之间还有一些有意思的关系，比如：

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但是，这些仿佛把事情更加复杂化了，对于e本身的理解并没有帮助。到底e是什么呢？数学中会讲，e是自然对数的底，它的一个总要特点就是e^x的导数还是e^x，同时，e可以通过下式来表达和计算：

稍微形象一点的表达，就是在复利的计算上，e表达一个在一段时间内翻倍增长的利率，进行极限的连续复利计算能够达到的极限值。也就是说，如果年利率是100%，你如果无限细分一年到n个时间段，那么每个时间段的利率为1/n，而最终你能得到的连本带利的收入为e倍，也就是2.7倍多一些。

这仍然不够形象，那么下面映射到Filecoin的共识机制来看一看。

Filecoin预期共识与自然常数的关系

先来复习一下Filecoin白皮书里面描述的预期共识。在go-filecoin的早期实现中，采用的是简单的预期共识，也就是说，每一个矿工按照自己的算力与总算力的比来获得出块权的概率。因为所有矿工的算力之和等于总算力，所以系统每一轮的总出块概率的期望值为1。简单来说，就是每一轮平均出一个块，但是，每个矿工独立计算，因此，每一轮的出块数可能是各种各样的。

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那么在这种情况下，我们建立一个简单模型来进行一个推演。假设系统中的矿工数为n，每个矿工的算力占比为1/n，那么，每一轮呢每个矿工的出块概率为1/n。

这样，一轮中出现空块的概率为：

如果n足够大，那么，可以求得：

也就是空轮的概率超过三分之一，这个就太高了。

那么出块数为1的概率有多大呢，可以简单做如下计算：

扬州市政府：围绕区块链等技术 提升软件和互联网产业首位度:据新华日报报道，扬州市政府办公室印发《关于加快“三大创新板块”建设的实施意见》,全力提升软件和互联网产业首位度。未来三年，围绕云计算、物联网、大数据以及人工智能、区块链等前沿领域、前沿技术，采取资源共享、错位竞争的方式，吸引国内外知名软件和互联网企业在江广融合区设立中心，加快构筑软件和互联网产业发展的核心区、示范区。[2018/6/11]

仍然只有三分之一多一点。剩下的不到三分之一的概率都是多块的轮次。这个结论与开发网当时的测试是完全吻合的。

从这里，我们找到了一个对于自然常数e的一个更形象化的解释，那就是：在一个有很多人参与的独立投票选举中，每个人的赢得选举的概率相同，同时预期赢得选举人数为1的情况下，不能得出选举结果的概率为e的倒数，也就是1/e。

预期共识的实现是一个不断发现的过程

开发网出现的空块率过高的情况，我们做了模拟，并与Filecoin研究开发团队进行了讨论。显然，这么高的空块轮次比例是不好的，这是的区块时间不固定，交易时间预测起来也比较困难。

那么，一个简单的改动是什么呢？那就是增加每一轮的区块预期数量。因为预期共识本来一轮就可能出现多个区块，在实现中采用tipset的方式进行组合，那么增加区块的预期数量，对于设计实现而言非常简单。

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在测试网之前，Filecoin实现引入了预期每轮区块数这个概念，这个被定义为E。当前默认：E=5

既然，预期区块数提高了，最简单的方法就是把每个矿工的出块概率提高5倍。但是，矿工出块的计算采用掷骰子的方式。也就是产生一个256位空间中的一个数，来比较自己的算力占比，从而判断是否拥有出块权。这里就有一个数据越界的问题。Filecoin的实现在这个判断上走过三个阶段：

阶段一：每个矿工按照自己的算力再进行切分，分别按照更小的份额进行选举，如果赢得选举就获得一票。相同默认算力都按照每25个sector来进行统一切分。这个办法的好处是每一个选举人算力都基本一样，进行公平选举。但是，由于每25个sector都要进行单独计算，每一个部分都需要I/O访问，时间消耗较大。Filecoin团队的最初目的是把这个出块权和时空证明放在一起。但是，最后从安全的角度来考虑，由于计算相对复杂，还是放弃了。

阶段二：直接极致简化，不考虑越界的问题，直接乘以5进行比较计算。这个是在时空证明已经通过WindowedPoSt替代SurprisedPoSt的情况下的一个简化措施。但是，这样做有两个问题：1）对于算力大于20%的矿工肯定是吃亏的；2）当矿工算力足够大时，一定能够赢得选举。这第二个问题比较严重。我们慎重提出，这是一个安全问题，应该改。

阶段三：采用密码抽签的方式，借鉴Algorand采用的算法。逐渐走向完善。

让每一个字节都参与投票

Algorand的密码抽签是一个非常好的概率分布在选举上的应用，对于区块链POS网络而言，非常棒。实现起来比较简单直接。其具体算法如下：

这里不做详细解释，需要的人可以查询相关资料。简单地说，就是在POS选举过程中，当你凭借自己产生的可验证随机数进行抽签的时候，可以通过你自己的份额和相应二项式分布来看你落在哪一个区间，从而判断你获得了多少选票。

二项式分布是n个相同概率的独立时间单独计算而后相加的一个分布，而且整个分布正好切分整个概率空间。因此只需要看你的可验证随机数在那个空间就可以了。

那么对于Filecoin而言，参与选举的份额就是你的算力。如果按照前文中说的阶段二的方式，可以再进行细分，那么可以考虑为每一个字节都参与投票。这样一来，参与投票的选举人数量非常大，整个计算不用采用二项式分布，完全可以采用泊松分布来进行计算。泊松分布的计算公式如下：

这里?λ是自己的份额与预期总选举票数的乘积。在Filecoin中，它就是

E*mPow/totPow；k是获得选举权的数量。

看一下上式，是不是很神奇？自然常数e再一次用到了Filecoin的选举的计算之中。采用泊松分布进行计算是Filecoin的一个改进，非常符合Filecoin的特点，同时计算也非常简单。

采用密码抽签之后，就不能保证每一轮都一定会有矿工拿到出块权了，这很正常，因为每个人都自己掷骰子，出块权的计算是独立的。这样的话，实际上每一轮赢得不同的出块选票的概率有多大呢？简单做一个模拟可以得出下表：

这里空轮的概率是e^-5。

也就是说，预期大约不到200个高度就会出现一个空轮。看起来还好。而每轮选票数为3，4，5，6，7分布较多也比较均匀。选票数高达15张的情况也不少，大概万分之1.6。

看到这里，您可能会想，e是不是与概率的关系比较大，其实我可以告诉你，π在有些时候也会用到概率计算之中。因为这两个常数就是有牵扯不清的关系。

Filecoin中自然常数不仅仅用于选举

自然常数e在选举之中的使用，至此显得非常自然，而且也比较优雅。

同时，Filecoin在Token释放上，也利用e进行计算。这个与概率无关，而是与衰减有关。Filecoin不采用周期性减半的方式进行Token释放，而是模仿放射性衰减，也就是指数衰减。白皮书设计为6年减半。而一般说来，衰减的公式可以写为：

上式可以理解为：初始Token为N0，随时间推移，系统通过释放，在t时间点系统中还应该保留的Token量N(t)的计算公式。

看这里，再一次出现了自然常数e。当然这里不一定非要用e的。但是由于e的使用非常广泛了，用起来方便顺手。所以基本上现在这是一种统一的用法。

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