【Filecoin】理解预期共识 - 及它的优缺点

• 预期共识就是上帝掷飞镖

• 预期共识的优点在于简单，而且每一次选举胜出者数量的平均数为1

• 但预期共识不能保证每次选举的胜出者数量，这是其最大的问题

• 期待有更好的基于可验证随机函数的共识算法出现，设计者可获得20万美金奖赏

为了不使此文显得枯燥乏味，今天一上来先用最简单的方式来解释预期共识，保证高中生能够看懂。

预期共识（EC：Expected Consensus）是一种 PoS （这里S可以理解为 Storage Service，及存储服务的贡献）的实现。目标是是的矿工出块的权益与自己对存储的贡献成正比，也就是说，矿机被使用的存储空间在整个网络中的总使用空间中所占比例，就是此矿机能够出块的概率。这是大家都了解的，也认为这是非常公平，且对整个网络起到良好促进作用的设计。

我在文章《让上帝掷骰子 - 对共识机制的浅层分析》一文中对区块链共识机制的要素和共同特点已经有过描述，这里不再重复，但是，要知道的是，无论什么共识机制，一定要具有公平性、不可预知性、可验证性和可行性（不能太复杂）。预期共识，作为Filecoin目前采用的共识算法，是一种简单的共识算法，基本符合上述要求。那么它是如何做到的呢？

这里我为了形象说明，不使用骰子这个比喻，而采用另一个方法：掷飞镖。预期共识的每一轮出块最重要的一个步骤就是选举，这里的选举实际上就是自己进行计算，其实不需要大家投票。按照掷飞镖的来看，基本上分成以下几个步骤：

每一轮上靶者称为这一轮的 Leader，即选举胜出者，有资格出块。我们来看一下是否符合上面说到的几个特点：

看了上文，是不是觉得这么棒的东西，太好了！但你要知道，协议实验室对这个算法是不满意的，只是在没有新的更好的算法出来之前，考虑使用此算法。而且，协议实验室悬赏20万美金给更好的算法的提出者。那问题在哪里？

问题就在于，上面的每一个飞镖盘都是独立的，每个人的运气也是独立的。也就是说每个人命中的可能性也是独立的。那是不是在每一轮中，有可能所有人都不上靶，一个人也选不出来；当然也有可能有好几个人都上靶，这样就会有好几个人出块了。再想一想，是不是存在这样的概率所有人都上靶，理论上有，但如果人比较多，概率极低。

这就不是很理想了，因为有些轮没有人出块，交易（消息）的过程就会延长；如果有些轮有多个人出块，这些块中的消息信息基本上都是重复的，占用区块空间，浪费。

所以呀，更好的算法当然是最好每轮都能出块，而且每一轮都只有一个矿工上靶（具有出块资格）。可以想象，这样的算法当然需要整个网络进行协调，进行真正的选举，那这样是不是复杂度提高了，是不是可行呢？目前有好些算法被提出来，可以查询CoA， Snow White， AlgoRand等。但是，有些过于复杂，有些不适合Filecoin。

希望各位算法高手，看在奖金的份上，加油吧！

回到一个傻傻的问题，为什么这个共识被称为预期共识（Expected Consensus）。高中生一定还记得概率论中学过数学期望（Mathematical Expectation)。这里 Expectation 是 Expect 的名词形式。也就是说一种期望，表明一种概率情况下的平均值。

再回到我们前面的掷飞镖游戏，想像每一个矿工的算力加起来是不是等于总算力？在这种情况下，每一轮掷飞镖的胜出者数量的数学期望值就是 1，即平均下来就是一个人中靶。

因为期望每一轮一个人中靶，而实际上预期共识算法仅实现平均下来一个人中靶，就叫它预期共识（Expected Consensus）吧。

具体可参见白皮书或相关文档，这里简单做一些解释，欢迎探讨。

如果一个矿工在一轮计算中下式成立，中靶，具有出块资格。

不等式左边：H 为不可逆hash函数（比如 SHA256）； L为 H 函数值的所占二进制的位数，这里保证了左边是一个0%到100%之间的一个值；

H 函数内的 <t||rand(t)>是在第 t 轮的一个全网统一的随机数，这个在第 t 轮才会公布。

不等式右边：分子为第 t 轮本矿机所拥有的算力；分母为第 t 轮全网的总算力；当然整个式子就是本矿机在全网中算力的占比。

这个不等式就相当于，后边是你飞镖盘木质部分的占比，而左边是你的运气，如果人品不错，就击中了木质部分（中靶）

那么，如何保证每个矿工的木质部分位置随机呢？就靠下面这个定义：

也就是对上面的随机数进行签名，而签名函数本身是不可逆也是不可预知的，每个人都不同。这就只有上帝知道木质部分放到哪里了。