存算一體化公鏈：Subspace Network 白皮書 ( Ⅰ )_THE

本文轉載自SubBase。

SubspaceNetwork是Web3上支持大規模可擴展，同時提供存算一體化底層基礎設施服務的模塊化Layer-1，在此基礎上，SubspaceNetwork將致力于增強和連接其他區塊鏈生態系統。

Roadmap:

2018年-2019年：獲美國國家科學基金會Grant資助以及CandaqFintechGroup,OneBoatCapital等的早期支持

2021年：發布Whitepaper，獲得Web3基金會Grant，$4.5millionfundraisingledbyHypersphereandStratosTechnologies

2022年：$33millionfundraisingledbyPanteraCapital&CoinBase

以下為SubspaceNetwork中英文對照版白皮書(Ⅰ)。

Subspace:ASolutiontotheFarmer’sDilemma

Subspace：解放被困的硬盤農民

第一章背景

Nakamoto-styleblockchains,suchasBitcoinand?Ethereum,,combinethelongest-chainfork-choicerulewithaproof-of-work(PoW)miningpuzzle.Thesesystemsareprovablysecure,withrespecttosafetyandliveness,givenanhonestmajorityofminers.

在目前的區塊鏈世界中經典的中本聰式的區塊鏈，如比特幣和以太坊，他們無不是結合了最長鏈主鏈分叉決定原則和工作量證明的算力博弈。這些系統也被證明是安全且可靠的，同時保持著相當程度的活躍，當然這很大程度上歸功于大部分的工人都是誠實的。

UnlikelegacyByzantineFault?Tolerant(BFT)consensusalgorithms,participationisboth?permissionlessandscalable.Thesepropertiesarethestandardagainstwhichallnewblockchainconsensusprotocolsaremeasured.?

與傳統的拜占庭容錯共識算法不同，網絡的參與雙方是無需許可和可擴展的。這些屬性是衡量所有新的區塊鏈共識協議的標準。

Unfortunately,thesecurityaffordedbyPoWcomesatamassivecostinelectricity.Collectively,minersonBitcoinandEthereumconsumetheenergybudgetofamedium-sizedcountry,withthesenumberssteadilyincreasingasmorecapitalflowsintothesystem.

令人惋惜的是，目前PoW提供的高安全性是以巨大的電力成本為代價的。總的來說，比特幣和以太坊上的礦工消耗了一個中等國家的能源預算，同時隨著更多的資本流入該系統，這些電力以及各種綜合成本會逐步增加。

Thisraisesthecriticalquestionofwhethercryptocurrenciescanreachwidescaleadoptionwithoutaddingmorefueltothefireofglobalwarming.Moreover,whileminingwasoriginallyenvisionedasademocraticandegalitarianprocess,asexpressedbyone-CPU-one-vote,itquicklybecameahighlycommoditizedandcentralizedenterprise.

數據：某地址在蘋果大會開始后將約70萬枚RNDR轉入Coinbase:6月6日消息，據推特用戶余燼監測，某地址在蘋果大會開始后將702,347枚RNDR（165萬美元）轉入Coinbase，該地址在RNDR上的兩次投資都略虧損一點。其中4月26日至5月2日，該地址花費130萬U買入59萬枚RNDR，5月3日以122萬U賣出，虧損8萬U；5月19日和5月25日，花費170萬U買入70萬枚RNDR，6月6日在2.3美元時轉入Coinbase，預計虧損10萬U。[2023/6/6 21:18:34]

這就提出了一個關鍵問題，即加密貨幣能否在低功耗，環境友好，不加劇全球變暖的情況下被廣泛認可且采用。此外，雖然采礦最初被設想為一個民主且平等的過程，例如“每cpu一票”這樣的設計，但好景不長，它很快就變成了高度商品化和集中化的產業。

TodayparticipationinBitcoinmininginsteadfollowsone-ASIC-one-vote,assumingamineralsoResearchconductedwithsupportfromNSF-SBIRGrant1844037hasaccesstolow-costelectricity.Ethereumminingsoughttocircumventthisbyadoptingone-GPU-one-vote,butthistoohasprovensusceptibletospecialpurposehardwareandstillhasthetendencytoconcentrateinregionswithlow-costelectricity.Thisraisesanotherkeyquestionofwhether?ornotexistingcryptocurrenciesareactuallydecentralized,orifwehavesimplysubstitutedonetrustedthird-party(financialinstitutions)foranother(miningpools).

如今，比特幣采礦的參與已經被“一ASIC一票”給取代，假設一個礦工也在NSF-SBIRGrant1844037的支持下進行研究，可以獲得低成本的電力。以太坊采礦試圖通過采用“每GPU一票”來規避這一問題，但這也被證明容易受到特殊用途硬件的影響，并且產業仍然傾向于集中在電力成本較低的地區。這就提出了另一個關鍵問題，即現有的加密貨幣是否實際上是去中心化的，或者我們是否只是簡單地將一個受信任的第三方替換為另一個。

Thesechallengeshaveservedasarallyingcryforadi-versegroupofhackers,researchers,andengineerswhohavesoughttodesignasustainableblockchainthatholdstruetoNakamoto’svisionforamoredemocraticanddecentralizedfuture.Themostwell-knownsolutiontothisproblemisproof-of-stake(PoS),whichemploysasystemofvirtualminingbasedonone’swealth,undertheadageone-coin-one-vote.WhilePoSclearlysolves?the?ustainabilityproblem,itdoesnotholdtruetoNakamoto’svision.Itinsteadreflectsapermissionedandplutocraticalternative,whichalsoexhibitsstrongtendenciestowardscentralization.?

Algorand Foundation推出開發人員工具套件AlgoKit:金色財經報道，Algorand (ALGO) 生態母公司Algorand Foundation宣布推出開發人員工具套件AlgoKit，以在該協議上構建 Web3 應用程序。該套件旨在為 Web 2 開發人員過渡到 Web 3 提供一個簡單的入口。該產品還旨在吸引想要測試 Algorand 的其他鏈的開發人員。[2023/3/29 13:33:43]

上述這些挑戰成為了一群不同的黑客、研究人員和工程師的戰斗口號，他們試圖設計一個可持續發展的區塊鏈，以實現中本聰對更加民主和去中心化未來的愿景。這個問題最著名的解決方案是權益證明，它采用基于個人財富的虛擬采礦系統，俗稱“一幣一票”。雖然PoS清晰地解決了可持續性問題，但它并不符合中本聰最初的愿景。相反，它反映了一種獲得許可的財閥式的替代方案，它也表現出強烈的集中化趨勢。

Infact,PoSsystemsservetomagnifytheexistingwealthdisparityincryptocurrencies,whicharealreadysignificantlylargerthanhistoricallyhighdisparitiesinglobalfiatwealthdistribution,effectivelyservingtomaketherichevenricher.Whatisinsteadneededisacryptographicproofsystembasedonanunderlyingresourcethatisalreadymassively?distributedandwhichdoesnotlenditselftospecial-purposehardware.

事實上，PoS系統會進一步放大加密貨幣中現有的財富差距，這種差距已經遠遠大于全球法定財富分配的歷史最高差距，這有效地使富人變得更加富有。相反，我們需要的是一種基于底層資源的加密證明系統，該底層資源需要已經被大規模分布，并且不適合專用集成硬件。

Enterproof-of-capacity(PoC),whichreplacescompute-intensiveminingwithstorage-intensivefarming,underthemaximone-disk-one-vote.Disk-basedconsensusseemslikeanobviouschoice,asstoragehardwarehaslongbeencommoditized,consumesnegligibleelectricity,andexistsinabundanceacrossend-userdevices.Asitturnsout,implementingaPoCsuchthatitdoesnotdevolvebackintoPoW,withoutresortingtoapermissionedmodel,ishighlynon-trivial,aswitnessedbythepaucityoflivechainstodate.Moreover,allexistingPoCblockchaindesignsfailtoaddressacriticalmechanismdesignchallenge,towhichweturnnext.

在“一盤一票”的原則下，容量證明用存儲密集型農業取代了計算密集型的耕種。基于磁盤形成的共識似乎是一個顯而易見的選擇，因為存儲硬件早已商品化，消耗的電力可以忽略不計，并且在終端用戶設備中大量存在。事實證明，在不采用許可模型的情況下，實施PoC以使其不會退回到PoW是非常重要的，正如目前我們所知道的，這樣的鏈非常稀少。此外，所有現有的PoC區塊鏈設計都無法解決關鍵的機制設計挑戰，我們接下來要征服這個挑戰。

RTFKT：Nike Air Force 1數字鞋鑄造定于4月23日進行:金色財經報道，被耐克公司收購的加密潮牌RTFKT在社交媒體宣布Nike Air Force 1數字鞋鑄造定于4月23日進行并持續到5月8日，共推出10種設計款供選擇，鑄造期間允許預鑄造的RTFKT NFT持有者贖回實物鞋，預鑄造的ERC-1155會在這個過程中被燒毀，鍛造后會發送一個“Forged” ERC-721給持有者，而且不會產生額外的鑄造成本，NFT持有者只需支付gas費用。此外，實體球鞋預計將于2023年第四季度發貨。RTFKT提醒用戶，為防止欺詐，鑄造僅在其官方進行。[2023/3/19 13:13:18]

第二章農民困境

ObservethatinanyPoCblockchainafarmeris,bydefifinition,incentivizedtoallocateasmuchofitsscarcestorageresourcesaspossibletowardsconsensus.Contrastthiswiththedesireforallfullnodestoreservestorageformaintainingboththecurrentstateandhistoryoftheblockchain.

在任何PoC區塊鏈中，根據定義，農民被激勵盡可能多地將其稀缺的存儲資源分配給共識。這與所有完整節點為維護區塊鏈的當前狀態和歷史而保留存儲的愿望形成了對比。

Thesecompetingrequirementsposeachallengetofarmers:dotheyadheretothedesiredbehavior,retainingthestateandhistory,ordotheyseektomaximizetheirownrewards,insteaddedicatingallavailablespacetowardsconsensus?Whenfacedwiththisfarmer’sdilemmarationalfarmerswillalwayschoosethelatter,effectivelybecominglightclients,whiledegradingboththesecurityanddecentralizationofthenetwork.

這些相互競爭的要求對農民帶來了挑戰：他們是堅持所期望的行為而保留狀態和歷史，還是尋求個人回報最大化，而將所有可用的空間用于達成共識？當面對這種農民困境時，理性的農民總是會選擇后者，成為輕客戶以提升個人效率，同時降低了網絡的安全性和去中心化。

ThisimpliesthatanyPoCblockchainwouldeventuallyconsolidateintoasinglelargefarmingpool,withevengreaterspeedthanhasbeenpreviouslyobservedwithPoWandPoSchains.

這意味著任何PoC區塊鏈最終都會合并成一個大型“耕種池”，其速度甚至比之前用PoW和PoS鏈觀察到的還要快。

RecallthatinanyNakamoto-styleblockchain,anewconsensusnodemustsynchronizethechainstatefromgenesis,inordertobeassuredtheyareactuallyonthelongestvalidchain,whichimpliestheavailabilityofthechainhistory.Ifalargefractionofnodesstoresthehistory,thisdatawillbereadilyavailable,andthenetworkmaybeconsidereddecentralized.

區塊鏈旅游初創公司Pinktada與度假村合作推出酒店權益Token:12月21日消息，區塊鏈旅游初創公司Pinktada與多米尼加共和國豪華度假村Casa de Campo合作，推出了首批權益代幣 \"room-night tokens\"（RNT），每個Token代表酒店預定席位。

Casa de Campo高級副總裁Jason Kycek表示，使用RNT可以享受到折扣價格，并且用戶隨時可以轉售自己的RNT。此外，度假村還將為通過RNT預訂的客人提供一個紀念性的NFT，上面定制了他們度假期間的圖片和視頻。（jingdaily）[2022/12/21 21:58:39]

回想下在任何中本聰式的區塊鏈中，一個新的共識節點必須從創世開始同步鏈的狀態，以確保他們在最長的有效鏈上，這意味著鏈上歷史的可用性。如果有很大一部分節點儲存了歷史，這些數據將很容易獲得，網絡也實現了去中心化。

However,astimegoesbyandthehistorygrows,thestorageburdenonallfullnodesgrowsaswell,andsomenodesmaychoosetoprunethehistory,insteadonlystoringthecurrentstateofthechain.ThistrendwasalreadyclearintheBitcoinnetworkasearlyas2014.Iffullnodesdonotstorethehistory,newnodesmustinsteadrelyonaltruisticarchivalnodesorthird-partydatastoresforinitialsynchronization,resultinginamorecentralizednetwork.InaPoCblockchainfarmershavenothingtogainbystoringthehistory,butclearlystandtoloseoutonblockrewards,especiallyasthehistory?grows,consumingalargerfractionoftheiravailablediskspace.

然而，隨著時間的推移和歷史的增長，所有完整節點上的儲存負擔也會增加，一些節點可能會選擇刪除歷史，僅保留鏈的當前狀態。這種趨勢早在2014年的比特幣網絡中就已經很明顯了。如果完整節點不儲存歷史記錄，那么新節點必須依賴利他的存檔節點或第三方數據存儲進行初始同步，從而導致網絡更中心化。在PoC區塊鏈中，農民通過存儲歷史沒有任何好處，反而會失去區塊獎勵，特別是隨著歷史記錄的增加，可用磁盤空間的消耗也越來越大。

Inordertoextendthelongestvalidchainandcollectfeesforvalidtransactions,afarmermustmaintainthememoizedstateofthechain.Asthestateisoftentoolargetoresideinmemory,ittoomustcompetewithconsensusforpreciousdiskspace.Whileperhapsnegligibleforlow-throughputUTXOstylechains,statestorageissignifificantforanyEVMstylechain,oranychainwhichseeksbaselayerscalability.Furthermore,allfarmersarealsorequiredtocomputethestatetransitionforeachnewblockaspartoftheongoingverifificationprocess,imposinganon-negligiblecomputationaloverhead,whichconflflictswiththedesireforfarmingtobealightweight?task.Thefarmer’sdilemmathenservestoexacerbatethewellknownverififier’sdilemma,byfurtherraisingtheopportunitycostofverifification.

數據：50,000,000枚USDT從Tether財政部轉移到Bitfinex:金色財經報道，據Whale Alert數據顯示，50,000,000枚USDT從Tether財政部轉移到Bitfinex。[2022/8/21 12:38:20]

為了延長最長的有效鏈并收取有效交易的費用，農民必須保持該鏈的記憶狀態。由于狀態通常太大，無法儲存在內存中，它也必須與共識爭奪寶貴的磁盤空間。雖然對于低通量的UTXO鏈來說可能可以忽略不計，但狀態存儲對于任何EVM鏈或任何尋求底層可擴展性的鏈都是非常重要的。此外，作為正在進行的驗證過程的一部分，所有農民還需要計算每個新區塊的狀態轉換，造成了不可忽視的計算開銷，這與農民執行輕量級任務的愿望相沖突。農民困境進一步提高了驗證的機會成本，從而加劇了眾所周知的驗證者困境。

Ifafarmeriswillingtoadoptaweakersecuritymodel,theymayinsteadjoinatrustedfarmingpool,wherebytheydelegatetransactionverifificationandblockproposingfunctionstoanoperator,whilethefarmerfocusessolelyonevaluatingtheblockchallengeagainsttheirplots.Thishastheaddedbenefifitofdrasticallyreducingthecomputationaloverheadrequiredtoparticipateinconsensus,whichfifitswiththeidealofmanysmallfarmerspledgingunuseddiskspaceontheirhomecomputers.Whenafarmerfifindsavalidsolutiontotheblockchallenge,theysendittothepooloperator,whoforgesthenewblockinreturnforaportionoftheblockreward.Aslongasthefeeislowerthantheopportunitycostoflocalblockproduction,arationalfarmerwouldalwayschoosetojoinapool.InPoWblockchainsthischoiceislargelydictatedbyadesireforasmootherrewardfunction,since,unlikejoiningafarmingpool,joiningaminingpooldoesnotincreaseone’stotalrewards.

如果農民愿意采用較弱的安全模式，他們可以加入一個可信的耕種池，即他們將交易驗證和區塊提議功能委托給運營商，而農民只專注于評估針對其地塊的區塊挑戰。這樣做的額外好處是，大幅減少了參與共識所需的計算開銷，滿足了許多小農民在他們的家用電腦上利用未使用的磁盤空間的理想。當農民找到一個有效的區塊挑戰解決方案時，他們會將其發送給耕種池運營商，后者鑄造新的區塊以換取一部分區塊獎勵。只要費用低于本地區塊生產的機會成本，理性的農民總是會選擇加入池子。在PoW區塊鏈中，這種選擇很大程度上取決于對更平滑的獎勵功能的渴望，因為與加入一個耕種池不同，加入一個礦池并不會增加一個人的總回報。

Thechiefproblemwiththismodelisthatitisnotdecentralized.Althoughtheactualconsensushardwareishighlydistributed,comparedtoexistingPoWminingpools,theoperatorsstillpresentapointofcentralization,moreakintovalidatorsindelegatedornominatedPoSprotocols.However,PoSsystemsatleastprovidestrongpenaltiesformisbehavior,whichhaveworkedinpracticesofar.Asfarmersinthepooledmodelareatbestactingaslightclients,thescopeofactionformaliciousorcolludingoperatorsismuchhigherthaninatypicalblockchain.Thehonestmajorityfarmerassumptionbecomesanhonestmajorityoperatorassumption.Ifthatassumptiondoesnothold,farmers,andmostusers,willbeunabletodistinguishbetweenvalidandfraudulenttransactionswhichappearinthelongestchain,allowingoperatorstocreatecoinsoutofthinairorspendfarmeranduserfundsatwill.

這個模型的主要問題是它不是去中心化的。盡管實際的共識硬件是高度分布的，但與現有的PoW礦池相比，運營商仍然是一個中心化的點，更類似于委托或提名的PoS協議中的驗證者。然而，PoS系統至少為不當行為提供了強有力的懲罰，這在迄今為止的實踐中已經奏效。由于池化模型中的農民充其量只能作為輕客戶，因此運營商的惡意或串通行動范圍會比典型的區塊鏈要高得多。多數農民是誠實的假設變成了多數運營商是誠實的假設。如果這種假設不成立，農民和大多數用戶將無法區分在最長鏈中的有效交易和欺詐性交易，從而允許運營商憑空創建幣或者隨意花費農民和用戶的資金。

PoCblockchaindesignappearstostuckonthehornsofadilemma.Ontheonehand,wemayabandonthegoalofhavingfarmersretainthehistory,whiledoingeverythingpossibletominimizetheburdenofmaintainingthestatesuchthatthattheopportunitycostsofrunningafullnoderemainnegligible,givingfarmerslittleincentivetopool.Thisleadstoamuchmorelimitedconstruction,rulingoutstatefulsmartcontractsandevenmodestbaselayerscalability.Ontheotherhand,wecanabandonNakamoto’svisionandacceptpooledconsensusasanecessaryevil,ashaslargelybeendonewithinthePoWandPoScommunities,whileatleastrejoicinginthefactthatparticipationisnowfairandsustainable.

PoC區塊鏈的設計似乎陷入了進退兩難的境地。一方面，我們可以放棄讓農民保留歷史的目標，同時盡一切可能將維護狀態的負擔最小化，從而使運行一個完整節點的機會成本仍然可以忽略不計，讓農民沒有什么動力去匯集。這導致了一個更有限的結構，排除了有狀態的智能合約和適度的基礎層擴展性。另一方面，我們可以放棄中本聰的愿景，將池化共識接受為一種必要之惡，就像PoW和PoS社區所做的那樣，同時為現在的參與是公平和可持續的而感到高興。

Inthisworkwepresentathirdoption,whichcircumventsthefarmer’sdilemmawithoutsacrifificingthesecurityordecentralizationofthenetwork,organizedasfollows:

在這項工作中，我們提出了第三種選擇，在不犧牲網絡的安全性或去中心化的情況下，規避了農民困境。觀點如下：

1)Topreventfarmersfromdiscardingthehistory,weconstructanovelPoCconsensusprotocolbasedonproofs-of-storageofthehistoryoftheblockchainitself,inwhicheachfarmerstoresasmanyprovably-uniquereplicasofthechainhistoryastheirdiskspaceallows.

1）為了防止農民丟棄歷史，我們構建了一個基于區塊鏈本身歷史存儲證明的新型PoC共識協議，每個農民在其磁盤空間允許的情況下存儲盡可能多的，可證明是唯一的鏈上歷史副本。

2)Toensurethehistoryremainsavailable,farmersformadecentralizedstoragenetwork,whichallowsthehistorytoremainfully-recoverable,load-balanced,andeffificiently-retrievable.

2）為了確保歷史的可用性，農民形成了一個分散的存儲網絡，使歷史保持完全可恢復、負載平衡和有效檢索。

3)Torelievefarmersoftheburdenofmaintainingthestateandpreformingredundantcomputation,weapplytheclassictechniqueindistributedsystemsofdecouplingconsensusandcomputation.Farmersarethensolelyresponsiblefortheorderingoftransactions,whileaseparateclassofexecutornodesmaintainthestateandcomputethetransitionsforeachnewblock.

3）為了減輕農民維護狀態和進行冗余計算的負擔，我們采用了分布式系統中的經典技術，將共識和計算解耦。此后，農民只負責交易的排序，而另一類執行者節點則維護狀態并計算每個新區塊的轉換。

4)Toensureexecutorsremainaccountablefortheiractions,weemployasystemofstakeddeposits,verififiablecomputation,andnon-interactivefraudproofs.

4）為了確保執行者對其行為負責，我們采用了一個由押金、可驗證的計算和非交互式欺詐證明組成的系統。

Forconcreteness,wepresentthisapproachwithintheEthereummodelofafully-programmable,account-basedblockchain,whichperiodicallycommitstothestateofallaccountswithintheblockheader,thoughwebelievemanyoftheproposedtechniquescouldbeappliedmoregenerallyforanyNakamoto-styleblockchain.

具體而言，我們在以太坊模型中提出這種方法，即完全可編程的、基于賬戶的區塊鏈，它將定期提交區塊頭內所有賬戶的狀態。我們相信，此中的許多技術也可以更廣泛地應用于任何中本聰風格的區塊鏈。

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