基于預測的共識機制

許婭倫

（清華大學 北京市 100089）

所有傳統的付款方式都應依賴第三方，由于第三方存在濫用信息或欺詐的風險，因此維護每筆交易安全性的平均成本將增加。區塊鏈是一種分布式賬本技術。它不依賴第三方。所有交易均記錄在分布式賬本中，并由系統中的所有節點進行保存和維護。區塊鏈是由一連串的塊組成。每個塊包含一定時間段內的交易。系統中的所有節點都參與維護鏈。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，不同的節點可能收到不同的交易信息。最重要的是：所有節點維護的鏈都必須是相同的。因此，需要機制來使所有節點決定要維護哪一條鏈。這種機制被稱為“共識機制”。人們提出了許多共識機制[1]，包括工作量證明（PoW）[2]和權益證明（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建一種新的共識機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）。我們嘗試將預測市場[4]的理論應用到區塊鏈框架中，建立一個新的共識機制來聚集公眾智慧并獎勵有智慧的人。

1 相關工作

1.1 工作量證明

當前最流行的共識機制是工作量證明（PoW）。它在1992年被首次提出，并在比特幣[2]白皮書中被引入區塊鏈系統。這種共識機制要求用戶解決哈希難題，該難題與他們制造的新塊相關，我們把這個過程稱為挖礦。解決了難題的礦工將向網絡中所有人廣播自己的塊。在其他礦工驗證塊的有效性之后，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量的代幣。如果難題比較簡單，那么出現新塊的速度將太快，系統不能趨于穩定。因此，PoW根據全網的總計算能力來調整哈希難題的難度，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是浪費資源。

1.2 權益證明

工作量證明的替代方案是權益證明（PoS），有幾種不同的方法可以實現。PoS 最流行的應用是PeerCoin[5]，這也是權益證明在區塊鏈中的最早應用。在PeerCoin 中，出塊的權利是在一組礦工中隨機分配的，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。礦工贏得出塊權的概率與錢包中代幣的數量和代幣在錢包中存儲的時間的乘積有關。該乘積越大，礦工越有可能贏得出塊的權利。而且，為了避免壟斷，用于競爭出塊權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，他獲得出塊權的機會就越大。另一方面，如果礦工擁有更多的代幣，則他作弊和攻擊系統的可能性就較小，因為這種行為會使他的利益受損害。權益證明的主要缺陷是無利害關系問題和長程攻擊問題[6]。

1.3 計分規則

計分規則[7][8][9]是一種衡量預測質量的技術。當用戶報告對特定事件的預測時，可以基于事件的結果和他的預測，按計分規則計算得分，得分用作給予該用戶獎勵的標準。在所有計分規則中，有一類計分規則稱為嚴格適當計分規則，它可以激勵用戶誠實地報告其預測。使用嚴格適當計分規則可從用戶中獲取真實預測，這是在本文中應用的非常重要的技術。

2 概念和模型

2.1 基本定義

定義1 嚴格適當計分規則

假設Ω 是所有狀態的集合。計分規則是函數S(p,ω):?Ω×Ω →R，其中p 是用戶的預測。計分規則S 是適當的，如果

如果不等式嚴格成立，S 是嚴格適當的。

適當計分規則意味著從用戶的角度來看，當用戶誠實地報告其預測時，用戶的預期收入將最大化。如果計分規則嚴格適當，那么用戶將更希望在提交預測時保持誠實。

2.2 模型

假設有n 個用戶，向區塊鏈系統提交預測。結果ω∈Ω 將在時間段T 中出現。

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 可以在任何時間點報告。在一個用戶提交了自己的預測后，其他用戶可以獲取有關oi的部分信息并更新自己的信息集。但是用戶可能說謊，不誠實的報告會誤導他人。

機制是一個函數：

我們定義該機制需要滿足的性質。

定義2 誠實性

如果用戶如實報告xi時獲得最大報酬，則該機制是誠實的。如果他在撒謊時效用一定減少，則該機制是嚴格誠實的。

定義3 個人理性

如果沒有用戶因參與該機制而蒙受損失，則共識機制是個人理性的。

定義4 及時性

如果用戶延后報告時不會獲得更高的效用，那么一個機制是及時的。

定義5 抗復制性

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

3 共識機制

我們在此提出一種稱為密封預測機制的新共識機制。只有在真實結果公布之后，所有的預測內容才被顯示出來。xi僅取決于可觀察到的oi。

所有用戶在提交預測時，必須同時進行押注。假設用戶i 提交了預測xi，并且押注Ki。S 是嚴格適當計分規則。在最終真實狀態為ω∈Ω 時，用戶i 的收益為：

機制中的獲勝者是：

該共識機制滿足所有前述性質，簡要證明如下：

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

如果最終真實狀態是ω∈Ω，用戶i 的收益是：

根據嚴格適當計分規則：

因此該機制是誠實的。

由于該機制是誠實的，因此如果用戶重復建立帳戶，則他應誠實地報告來最大化其效用，所有賬戶將會提交相同的預測。將一個帳戶拆分為兩個帳戶將不會更改其總資產，即總押注額。 因此，該機制是抗復制的。

4 總結

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