区块链:图灵机的纸带：简析 Arweave 存储计算新范式

从2020年初开始，以太坊DeFi呈爆发式的增长，由COMP，YFI等引发的流动性挖矿导致以太坊急剧拥堵，矿工费一度提高至500Gwei，DeFi手续费高达上百美金。以太坊拥堵不堪，亟需一种可扩展的智能合约方案。

10月上旬，V神发表评论「以Rollup为中心的以太坊路线图」，开启了二层网络浪潮，ZKRollups和OptimismRollups竞相出镜。ZKRollups和OPRollups采用了两种完全不同的证明模式，分别是：有效性证明和错误性证明。

ZK的有效性证明是将一批次的交易和对应的完整性证明发送到以太坊的智能合约进行验证，如果验证正确则被合约接受，验证错误则拒绝交易；OP属于错误性证明，是数据状态运营者将数据提交，并附加押金，在一段时间内任何人都可以发布非交互式的错误证明，如果这段时间内无人成功验证错误，则状态获得终局性，反之，成功证明错误则会罚没运营者押金。

ZK和OP的区别在于对状态终局采用了两种不同的方式。我把ZK类比为PoW，他是通过密码学算法验证结果有效性；而OP更像是PoS，是运营者抵押资金，采用了一系列的「治理」手段达到最终目的。ZK由于密码学理论和技术的限制，由于其「指令集」过于简洁，难以处理复杂的业务程序；OP的问题在于治理机制，需要将资金进行锁定并限制了流动性。

VPNTube图灵网络与东南亚区块链智库达成深度战略合作:据官方消息，7月4日，VPNTube图灵网络与东南亚区块链智库将在东南亚市场运作、Dapp应用落地以及建设实验室等方面达成深度战略合作关系。据了解，VPNTube是一个分布式匿名网络和一种新型的通证，核聚变高度为1:1172。东南亚区块链智库旨在整合海内外区块链领域专家资源，为东南亚区块链项目构建一个深度合作的专家智力支持机制。[2020/7/4]

不管是ZK还是OP，能对以太坊进行扩容的根本都在于对数据压缩和链外计算。如下图所示，为了节省一层网络的负载，数据进行了极大的压缩并将计算迁移到二层进行处理，此时一层存储的数据减少，并且只需要对状态进行验证即可，极大的降低了一层的负载。

但是降低负载并不代表无限负载。一层的区块大小和gas具有上限，并且在将来仍有大量的gas会消费在一层DeFi和组合性应用中，因此二层必定会和一层抢占资源，并且多个二层之间也会涉及到资源抢占问题。最终在有限资源下会不会存在某些二层无法上链、无法打包交易，那么二层是否会因此停机？就算二层不进行停机，一直在二层进行没有限制的交易，当资产需要要回到一层时，是否会存在过多的数据需要在一层验证，最终导致无法验证。另外，二层的组合行也是一个比较严重的问题。

Filenet基金会战略投资VPN Tube图灵网络:6月11日，Filenet基金会战略投资VPN Tube图灵网络。VPN Tube图灵网络是一个分布式匿名网络和一种新型通证，使用区块链、分布式网络和非对称加密等技术，提供一系列网络分布式服务。据了解，Filenet（FN）基金会致力于加速分布式存储、分布式网络等应用的发展落地，目前已孵化出DPOS+POC 共识机制的分布式存储应用公链“Filenet(FN)”。[2020/6/11]

以太坊是一台「世界计算机」，其设计初衷即是在区块链上完成计算和存储。在链上做计算意味着区块链网络中的所有节点都必须对计算过程进行处理，链上计算模式的成本不可能太低。就算采用二层的扩容方式，也仅仅是对数据和计算进行了压缩，但仍然需要计算过程在一层进行处理。

本文旨在介绍一种新的计算范式，与以太坊在链上计算的模式不同，该计算范式将计算完全放在链下，链上只作存储，此时区块链仅需要保证存储的可用性和确定性。假设一个计算的入参是确定性的，那么这个计算的输出结果也应该是确定的。比如xy=z这个程序，如果x和y的值都是在链上记录，分别是x=1和y=2，那么公式在任何地方计算结果z始终为3。只要程序的参数在链上确定性的记录下来，那么程序其实也不需要在链上运行，其结果依然是确定可信的。由于计算过程与链完全解耦，计算参数完全依赖确定性存储，我们将这样的计算范式称为：存储计算范式。

CoinEgg即将开启图灵链TAI公开申购，并于近期上线:据悉，CoinEgg即将在CoinEgg Preem第二期开启图灵链TAI的公开申购，并于近期上线。

CoinEgg成立于2017年，服务于全球用户，通过引进各国数字资产为用户提供全球范围内的交易服务。

图灵链（代币简称TAI）由WTH和斯坦福 FabLearm研究团队联合亚太大数据专家于2018年7月份共同发起，目标是利用人工智能及区块链技术搭建实现图灵测试的自然语言交流的公链，应用可以表现为APP，AI电话系统、智能音箱或其他ABI硬件等（ABI=AI+BC+IOT）。[2020/5/31]

图灵机，回归本源的存储计算范式

我们知道，不管是冯诺依曼结构还是哈佛结构的计算机，其本质都是一台通用图灵机。

图灵机是一台假想的机器，由一条无限长的纸带和一个带状态寄存器的纸带读取机器组成。读取器会在纸带上来回移动并将新的参数写入纸带。这样一台假想的机器可以进行任意复杂的计算。

精选 | 图灵奖得主Silvio Micali破解区块链在扩展性、安全性、去中心三者兼容难题:图灵奖得主、美国麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（MIT CSAIL）教授Silvio Micali提出了一个解决方案——Algorand，破解了区块链在扩展性、安全性、去中心三者不可兼得的难题。Silvio Micali表示，Algorand由“algorithm”（算法）和“random”（随机）两个字组合而成，有“纯粹的权益证明”（PPOS）,每一枚代币都拥有相同权利，不需要提出作为抵押;超快速拜占庭协议，即时发起与确认来形成共识;能够持续“演化”的区块链,解决分叉问题。

通过所有代币权利相等、每个步骤皆随机替换参与者，来确保整个网络可以最大程度去中心化；而 Algorand 借由加密抽签组建临时验证委员会来减轻工作量、提升效率，也保证了网络的可扩展性；且因验证者皆为随机加密选出，也来不及篡改或撤回他们对外发出的消息，下一轮又将是新一批随机选出的参与者，所以也让安全性有极大的保证。[2018/9/23]

借助区块链技术，我们可以将图灵机的纸带替换为区块链，可以得到下图中的新型计算模型：

丹华资本Dovey Wan：图灵奖得主John Hennessy正在钻研区块链:23日中午，丹华资本Dovey Wan在微信群分享关于区块链的观点。她说：“今年图灵奖得主John Hennessy当年同一个系的同事，分布式系统大神，现在正在认真专研区块链，因为区块链作为技术本身，密码学（特别是asymmetric cryptography）+ distributed system 存在了几十年了，这些正规军入场会大举加速行业的进步，这个是我觉得硅谷伟大的地方，就是有一批对技术追求纯粹的人。”[2018/3/23]

可以编写一个业务程序，将程序的代码提前上传到区块链上。任何人都可以将程序从可信的区块链中下载并运行起来，程序的读取和输出端都是区块链。由于区块链具备可追溯、不可伪造的特性，因此链下程序的输入输出也具备确定性。程序加载来自区块链的确定性参数，最终生成的程序状态也是确定性的。

存储计算范式将程序的源代码、输入输出存储在区块链上。运行程序时，加载链上可信的源代码，对链上的可信参数进行链下计算，输出状态也必定具备一致性。任何人都可以运行程序，任何人运行的结果都一致的，达到可信计算的目的。

模型理论上可行，但将以太坊作为确定性存储依然过于昂贵，会到导致应用的成本激增。使用以太坊有限的区块大小作为存储也会使应用的扩展性大打折扣。借助Arweave，一条以永久存储为目标的区块链，我们可以将存储计算范式进行实践。

Arweave原理简介

Arweave是一个基于区块链的文件存储协议，它具有一次性付费，永久存储文件的特点，它实现了一套简单的经济激励规则，让矿工能长久的存储数据。

永久存储是AR的核心功能，因此首先需要明确永久存储的成本。统计发现存储成本每年都在以惊人的速度降低，其中每GB的存储成本平均每年下降30.57%。经计算，成本会收敛到一个常数，得出一个永久存储的成本。AR使用这个收敛的永久成本作为数据存储的收费基准。下图所示，存储1GB的数据消费2.45个AR，花费约为$9.8。

在有了收费基准后，怎么让矿工永久保存这些数据呢？AR引进了全新的挖矿机制：开采一个新的区块时，会随机链到先前的一个「回忆块」，要求矿工证明可以访问这个回忆块的数据，才能开采出一个有效的新区块。这会激励矿工尽量多的存储历史区块。同时，该算法还激励矿工存储「稀有」区块，因为当稀有区块被选为回忆块时矿工能在更小的竞争下开采出新的区块，以达到数据永存的目的。

AR能保证数据永存、价格稳定，便宜。依赖区块链技术，AR存储的数据也具备可验证可追溯的特性，非常适合作为可信计算的「图灵机纸带」。

总结

存储计算范式能运行的关键在于数据永存和成本固定，只有永存能使数据始终「可得」，得到这些数据才能在链下计算出一致性的状态；成本的固定或低廉，能让应用的共识成本始终保持在一个稳定的范围，不会像以太坊那样，在区块拥堵的情况下出现激烈竞争资源的情况，稳定的成本使应用更具备可用性。

将存储计算范式与AR结合，我们可能获得了一个比较完美的确定性图灵机，一个可以实践应用的新型可信计算模型。

存储计算范式至少具备以下优势：

可以进行任意复杂度的计算。计算能力取决于链下机器的性能；

降低共识成本。共识的成本仅包含存储成本，不再包含计算成本。计算成本由应用的运营者提供；

具备可组合性和优秀的「分片」能力。应用只需要从链上加载自己关心的数据，多个应用之间组合时加载多个应用的数据，运营者不再需要下载所有数据；

极强的可拓展性。一是共识成本的的降低提高了拓展性，二是数据不仅是下载「分片」，也能达成上传「分片」，因此性能瓶颈仅仅是网络带宽；

不限制编程语言。只需要将目标程序提前存入区块链并将程序的所有入参序列化上链。

我们对Rollups和ETH2.0进行了深入研究，所有的努力方向都在将计算链外化，而最终的目标可能就是完全的链下计算。在探索的过程中，可以得出这样一个结论：在程序没有二义性的情况下，只要输入输出的存储具备确定性，那么程序的计算结果也一定具备确定性。

存储计算范式是一种完全不同于以往区块链计算模型的新事物，或许还需要很多时间让大众来接受和认可，但它一定是更接近本质的优秀可信计算范式。

感谢以太坊爱好者阿剑老师对Rollups和ETH2.0的深度解读，星火矿池喵叔对SmartWeave的引介以及星火矿池李培对Arweave和LazyLedger的深入研究。

原文标题：《区块链存储ARWEAVE：图灵机的纸带，可信计算新范式》

撰文：outprog，imToken后端开发与智能合约开发

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