时空证明是什么？PoSt、PoSpace、PoT运作原理详解

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介绍

Bitcoin 在 2009 年向世界引入了首个共识机制，开启了一个新时代。然而，其高能耗问题引发了人们的关注，促使开发者寻找更可行的解决方案，以弥补该机制的不足，例如权益证明（PoS）、委托权益证明（DPoS）共识机制，以及一种更新的解决方案——时空证明（PoST）共识机制，该机制结合了空间证明（PoSpace）和时间证明（PoT）的优点。

什么是时空证明（PoSpace）？

空间证明（PoSpace）是一种基于证据的共识机制，要求参与者证明其已预留了规定数量的存储空间，并且该存储空间已填充网络指定的数据。这可以通过哈希函数将数据映射到称为“承诺”（Commitment）的短输出来实现。

一旦映射完成，参与者会将该短输出发送至网络，以证明其预留的存储空间。一旦网络收到该证明，它可以要求参与者提供与其承诺相关的部分数据。参与者需要在规定时间内提供该承诺，以证明其诚实性或活跃性。

什么是时间证明（PoT）？

时间证明（PoT）是一种去中心化的共识算法，它根据验证者的排名分数和固定质押来选择验证者。排名分数是网络算法为每个验证者赋予的数值，反映其对过去数据的验证准确性，同时也包括其他验证者对其交互的反馈。

固定质押是一种质押方式，要求所有验证者必须质押相同数量的平台原生代币才能参与共识过程。这与权益证明（PoS）机制有所不同，后者允许验证者通过质押 大量平台代币来参与共识。

在时间证明（PoT）共识机制下，任何节点只要质押了规定数量的代币并拥有良好的排名分数，都可以成为验证者。这通过可验证延迟函数（VDF）实现，该函数会随机选择区块提议者（称为时间选举者）和区块确认者（称为时间节点）。

最后，尽管所有节点的代币质押数量相同，可验证延迟函数（VDF）会优先选择排名分数较高的节点来提议或确认区块。

什么是时空证明（PoST）？

空间-时间证明（PoST）共识机制是一种新概念，它结合了空间证明（PoSpace）和时间证明（PoT），形成一种共识算法，使网络参与者能够证明自己在特定时间内预留了指定数量的存储空间，同时几乎不消耗计算和电力资源。

该机制的开发旨在利用存储空间作为资源，构建环保且可扩展的去中心化网络。这与工作量证明（PoW）形成鲜明对比，后者依赖于解决消耗大量电力和计算能力的加密难题。

最后，空间-时间证明（PoST）可以通过调整存储时长来改变证明难度，而不是提高计算要求，从而在不增加能源消耗的情况下增强网络安全性。通过专注于存储，空间-时间证明（PoST）降低了网络运营成本，减少了对环境的不利影响，并创造了更加去中心化的网络。

时空证明（PoST）如何运作？

要参与 PoST 网络，节点首先需要在磁盘上创建一个大型数据集，称为“Plot”。创建的 Plot 包含基于称为挑战（Challenge）的公共参数构建的加密证明。网络会定期更新这些挑战，以确保 Plot 保持活跃，而不会被创建后弃置。

节点创建完成后，下一步是生成网络中的新区块。为此，节点需要提交证明，表明其已在特定时间内存储了 Plot，这个时间称为一个时期（epoch）。该证明是先前创建的 Plot 中与当前网络挑战匹配的部分。

一旦提交证明，网络会进行验证，确保其符合当前挑战，并与同一节点之前提交的证明一致。通过这种方式，网络确保节点不会在每个时期内修改或删除其 Plot。

最后，能够最快且最准确提供证明的节点将获得生成下一个区块的权利，并获得相应的奖励。

时空证明（PoST）的优势

存储与时间的结合赋予了空间-时间证明（PoST）共识多项优势，这些优势不仅对采用该共识的网络极为有利，也为网络用户带来了诸多好处。其中包括：

成本效益

虽然通常认为成本主要取决于存储容量，但实际上它与存储的持续时间密切相关。PoST 通过要求提供未被篡改的存储空间证明，在确保存储空间被定期使用的同时，大幅降低成本。

能源效率

不同于消耗大量能源进行挖矿的工作量证明（PoW），空间-时间证明（PoST）共识所需的能源极少。它主要依赖于磁盘存储和证明，而非计算能力和挖矿。

去中心化

空间-时间证明（PoST）共识能够保持真正的去中心化，而不像权益证明（PoS）机制那样依赖代币质押。由于 PoST 允许用户通过提供存储空间参与网络，而非通过大量持有网络代币来获得权力，因此避免了 PoS 可能导致的集中化问题。

在 PoST 体系下，存储空间成为资源，取代了资金投资。这确保了每位参与者都能积极参与网络运营，而不会被特定团体或个体垄断。

安全性

空间-时间证明（PoST）采用双重安全机制，确保只有满足存储空间与时间要求的节点才能参与网络。这有效限制了潜在的恶意节点，降低了对网络的攻击风险。

使用时空证明共识算法的区块链

尽管空间-时间证明（PoST）仍是一个新兴概念，但已有一些项目采用了该共识机制。其中包括：

Chia 网络

Chia 网络是一个去中心化金融（DeFi）支付系统，旨在降低交易成本并提高网络交易效率。该协议使用其专有的智能合约编程语言 Chialisp，这种语言具有可审计性、安全性和透明性，同时还能帮助创建新的加密工具，以提高智能合约的安全性。

与依赖代币或挖矿的机制不同，Chia 网络通过空间-时间证明（PoST）共识机制利用计算机存储硬件。网络中的“农民”（Farmers）通过 dedicating 硬盘的一部分来存储称为 Plot 的随机数据，并因此获得 Chia 代币奖励。

在 Plot 创建完成后，网络会生成一个从先前区块获得的挑战，并将其发送给农民，要求他们在预留存储空间（Plot）中找到该挑战。当农民找到挑战并通知网络后，它会被提供给一个名为“Timelord”的参与者，后者会对农民提供的数据进行计算。

借助空间-时间证明（PoST）共识，Chia 网络能够提供包括原子交换（Atomic Swaps）、可恢复wallet（Recoverable Wallets）、授权支付（Authorized Pays）、速率限制wallet（Rate-Limited Wallets）、回收托管（Clawback Escrow）以及慢速纸wallet（Slow Paper Wallet）等服务。

Filecoin

Filecoin 是一个基于区块链的网络，专为去中心化数据存储而设计。该平台允许用户通过计算机运行 Lotus 节点，这些节点为网络提供去中心化存储功能，并允许用户通过空间-时间证明（PoST）共识机制挖掘 Filecoin 代币。

在 Filecoin 网络上，空间-时间证明用于验证存储提供者是否持续提供其声称的存储服务。客户与存储提供者之间会达成协议，存储提供者需在 180 至 540 天的指定期限内提供存储服务。

在此期间，存储提供者必须持续证明其持有的数据是可用且不可篡改的。平台设有一个证明周期，每个 32GB 或 64GB 的存储扇区每 24 小时验证一次。

每个证明周期被划分为 48 个独立的 30 分钟期限。存储空间被分组为分区，并始终在相同的证明期限内进行验证。

时空证明（PoST）与其他共识机制对比

通过在现有的空间证明（PoSpace）共识机制基础上融合时间证明（PoT）共识，空间-时间证明（PoST）提高了网络的安全性和效率。这使得 PoST 相较于工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）和容量证明等其他共识机制具有一定优势。

工作量证明（PoW） vs 空间-时间证明（PoST）

工作量证明（PoW）是比特币采用的共识机制，它通过要求矿工解决复杂的数学问题来验证并添加新区块。尽管 PoW 以安全性著称，但其高能耗以及对高端计算硬件的依赖也备受诟病。

相比之下，空间-时间证明（PoST）以环保和低能耗为特点。PoST 不依赖 PoW 那样的高性能计算，而是通过要求参与者在特定时间内分配存储空间来运行共识机制。

凭借这些特性，PoST 能够节省更多能源，同时支持并行区块创建和验证，提高可扩展性。最后，与 PoW 依赖高性能矿机竞争算力不同，PoST 机制更加公平，所有节点均可创建区块，而不受资源和影响力的限制。

空间-时间证明（PoST） vs 权益证明（PoS）

PoST 和 PoS 这两种共识机制都具备较低的能源消耗，但它们在区块创建和验证方式上有所不同。PoS 依赖于用户持有并质押的代币数量，而 PoST 通过激励参与者在区块链上存储数据来运行共识机制。

虽然这两种机制都更加环保，但 PoS 可能会导致网络中心化并失去去许可特性。由于 PoS 依赖于代币质押，持有更多代币的用户将在网络治理中拥有更大的话语权。而 PoST 机制则要求参与者质押自身已有的存储空间来参与区块验证和创建，从而避免了 PoS 可能带来的中心化问题。

空间-时间证明（PoST） vs 容量证明（PoC）

PoC 和 PoST 具有相似的特性，两者都依赖存储空间来进行区块验证。然而，与 PoST 不同，PoC 允许网络节点利用硬盘上的空余空间来挖掘网络代币。PoC 机制允许用户在挖矿开始前，将一系列可能的解决方案存储在硬盘中。

这意味着拥有更大存储空间的用户可以存储更多潜在解，从而提高匹配哈希值的几率，并获得更多挖矿奖励。

结论

空间-时间证明（PoST）共识机制开启了区块链共识的新纪 元，不仅提升了安全性，还提高了对稀缺资源的高效利用。其结合空间与时间的特性增强了去中心化，有助于推动该机制的更广泛应用。