探索时空证明(PoST)：一种更环保的区块链共识机制

在区块链技术不断发展的今天，我们一直在寻找更加高效、环保且公平的共识机制。时空证明(PoST)作为一种新兴的解决方案，正逐渐引起人们的关注。它巧妙地结合了存储空间与时间要素，为区块链网络带来了全新的可能性。那么，究竟什么是时空证明？它有哪些优势？又有哪些项目正在采用这种机制呢？让我们一起来深入了解。

什么是时空证明PoSt？

时空证明（Proof-of-Space-Time，简称PoST）是一种创新的共识机制，它将存储空间与时间要素结合起来，旨在提高区块链网络的安全性和去中心化程度，同时显著降低能源消耗，提升网络的可扩展性。这种机制要求参与者在特定时间内保留一定的存储空间，有效避免了工作量证明（PoW）的高能耗问题，同时也比权益证明（PoS）更加公平，能够防止权力过度集中。

共识机制的演变

比特币在2009年向世界展示了第一个共识机制，开启了一个全新的数字时代。然而，随着时间推移，其高能耗问题日益凸显，促使开发者们开始寻找更加可行的替代方案，以弥补这一机制的不足。于是，权益证明（PoS）、委托权益证明（DPoS）等共识机制相继出现，而最近，一种名为时空证明（PoST）的新方案也进入了人们的视野，它巧妙地结合了空间证明（PoSpace）和时间证明（PoT）的优点。

空间证明（PoSpace）详解

空间证明（PoSpace）是一种基于证据的共识机制，它要求参与者证明自己已经预留了规定数量的存储空间，并且这些空间已经填充了网络指定的数据。这个过程可以通过哈希函数将数据映射到一个称为"承诺"（Commitment）的短输出来实现。

一旦映射完成，参与者会将这个短输出发送到网络，以证明自己预留的存储空间。网络收到这个证明后，可以随时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这些数据，以证明自己的诚实性或活跃性。

时间证明（PoT）解析

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，反映了他们对过去数据的验证准确性，同时也包含了其他验证者对其交互的反馈。

固定质押是一种特殊的质押方式，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）。

虽然所有节点的代币质押数量相同，但可验证延迟函数（VDF）会优先选择排名分数较高的节点来提议或确认区块，这确保了网络的高效运行。

时空证明（PoST）的内涵

空间-时间证明（PoST）共识机制是一个创新概念，它将空间证明（PoSpace）和时间证明（PoT）结合起来，形成一种独特的共识算法。这种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。

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，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结构。

时空证明（PoST）的工作原理

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，而不是被创建后就弃置不用。

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，表明自己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。

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，这种机制激励了参与者保持存储空间的活跃性和完整性。

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。

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，大幅降低了成本。这种机制使参与者能够以更经济的方式参与网络维护和验证。

能源效率

与消耗大量能源进行挖矿的工作量证明（PoW）不同，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过程，这使得PoST成为一种更加环保的选择，有助于减少区块链技术对环境的影响。

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，真正实现了区块链的去中心化理念。

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，提高了整个网络的安全性和可靠性。

权益证明的环保与平等问题

目前最常见的替代方案是日益流行的权益证明(PoS)，它正在以太坊区块链上部署，明显更加环保。然而，权益证明需要大量的资金投入，这使得普通用户难以参与。

例如，截至2022年1月，以太坊的原生货币ETH的市值已超过4470亿美元，其中相当一部分已被质押用于治理目的。对于任何一个由同一运营商控制的验证者节点或节点组来说，要想拥有合理的算力，他们可能需要质押数百万甚至数十亿美元的ETH。

截至2022年1月，仅仅质押一个验证者节点就需要64 ETH。当时ETH的价格为3,765美元，运行一个完整节点的成本将超过240,000美元，这还不包括任何硬件设置成本。

截至2020年，美国人均收入中位数为41,535美元，这意味着除了最富有的美国人之外，其他人都难以运行一个完整的节点。当然，还有其他选择，例如运行受限节点或加入质押池，但这些选择赋予单个节点运营商的治理权力更小。

截至2021年12月，全球共有11,259个以太坊完整节点在运行。最大的权益池本身也运行着数百个节点，规模相当庞大。以太坊2.0权益池（由以太坊基金会运营）当时持有690万ETH（价值213亿美元），Wrapped ETH（WETH）位居第二，持有670万ETH（价值206亿美元）。

虽然以太坊基金会持有以太坊的"控股权"自然是有道理的，但运行节点的总体费用和大型权益池的集中意味着以太坊区块链的治理远非民主；可以说，它更像是由一小群"数字鲸鱼"控制的寡头政治，他们为整个网络做出了大部分决策。

这本身无所谓好坏；然而，那些认为像以太坊这样的区块链代表着真正的社区治理，或者认为"普通人"能够对网络治理产生重大影响的人，可能过于乐观了。因此，人们强烈渴望其他能够提供更平等方法的共识机制；在这些机制中，"普通人"能够在网络治理方面拥有一定的发言权。而空间证明或许是一个可行的解决方案。

采用时空证明共识的区块链项目

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。这些项目正在探索PoST的潜力，并推动其在实际应用中的发展。

Chia网络

来源：Chia

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）、可恢复钱包（Recoverable Wallets）、授权支付（Authorized Pays）、速率限制钱包（Rate-Limited Wallets）、回收托管（Clawback Escrow）以及慢速纸钱包（Slow Paper Wallet）等服务。

Filecoin

来源：Supra

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，确保了存储的持续性和可靠性。

太空薄荷（SpaceCoin）

SpaceMint是另一个基于空间证明共识模型的区块链。与Chia和Filecoin（尽管与比特币类似）不同，SpaceMint主要是一个旨在推广Spacecoin (SPACE)的区块链协议，似乎并不鼓励开发者在其网络上构建dApp。与Chia和Filecoin类似，SpaceMint的挖矿奖励是根据矿工用于挖矿的存储空间大小按比例发放的。其算法试图不成比例地奖励小型矿工，以鼓励新矿工加入网络，并提高整体网络的去中心化程度。Spacecoin在加密货币投资者中并不特别受欢迎，截至2022年1月，其总市值不到10万美元。

Signum（以前称为BurstCoin）

Signum的存储证明共识模型与其他基于空间证明的区块链略有不同。该区块链创建随机解（称为地块），并使用独特的加密协议将其存储在矿工的硬盘上。截至2022年1月，Signum的加密货币（也称为Signum (SIGNA)）的市值略高于1300万美元。Signum的区块链专为创建dApp而设计，包括数字支付解决方案、DeFi协议、游戏和其他类型的应用程序。与以太坊一样，Signum也允许创建代币。

时空证明（PoST）与其他共识机制的比较

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）与空间-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。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）与权益证明（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）与容量证明（PoC）

PoC和PoC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。相比之下，PoST更加注重存储的持续性和时间维度，而不仅仅是存储容量的大小。

总结

空间-时间证明（PoST）共识机制代表了区块链技术发展的一个重要方向，它不仅提升了网络的安全性，还提高了对稀缺资源的高效利用。通过巧妙地结合空间与时间两个维度，PoST增强了区块链的去中心化特性，有助于推动该机制的更广泛应用。随着更多项目采用这一机制，我们有望看到更加环保、公平且安全的区块链生态系统的发展。虽然PoST仍处于相对早期的发展阶段，但它已经展示出巨大的潜力，可能成为未来区块链共识机制的重要选择之一。

常见问题解答

1. 什么是时空证明（PoST）？

时空证明（PoST）是一种结合了空间证明（PoSpace）和时间证明（PoT）的共识机制，要求参与者在特定时间内预留指定数量的存储空间，以证明其对网络的贡献，同时几乎不消耗计算和电力资源。

2. PoST与PoW有什么主要区别？

PoW依赖解决复杂的数学问题来验证交易，消耗大量能源；而PoST则利用存储空间和时间作为证明资源，能耗极低，更加环保，同时支持更高的可扩展性和去中心化程度。

3. PoST相比PoS有什么优势？

PoS依赖于代币质押，可能导致富者愈富的中心化问题；而PoST允许用户通过提供存储空间参与网络，不需要大量资金投入，更加公平，能够更好地保持去中心化特性。

4. 哪些知名项目采用了PoST共识机制？

目前采用PoST共识机制的知名项目包括Chia网络、Filecoin、SpaceMint（SpaceCoin）和Signum（前BurstCoin）等。

5. PoST如何确保网络安全？

PoST采用双重安全机制，要求节点同时满足存储空间和时间要求才能参与网络。这种机制有效限制了潜在的恶意节点，降低了攻击风险，提高了网络安全性。

6. 参与PoST网络需要什么硬件？

参与PoST网络主要需要存储设备（如硬盘）来创建和存储Plot数据，而不需要像PoW那样高性能的计算设备，这使得参与门槛相对较低。

7. PoST对环境有什么影响？

PoST是一种能源效率极高的共识机制，相比PoW大幅减少了能源消耗，对环境影响较小，是区块链领域实现可持续发展的重要方向之一。

8. 普通用户如何参与PoST网络？

普通用户可以通过提供存储空间参与PoST网络，例如在Chia网络中成为"农民"，或在Filecoin中成为存储提供者，通过贡献存储资源获得代币奖励。

9. PoST面临哪些挑战？

PoST作为相对较新的共识机制，面临的挑战包括技术成熟度、网络效应、与现有生态系统的兼容性，以及如何平衡存储提供者之间的竞争与合作关系等。

10. PoST的未来发展前景如何？

随着对环保和可持续发展的需求增加，以及对更加公平、去中心化的区块链系统的追求，PoST有望在未来获得更广泛的应用，可能成为主流区块链共识机制之一。