虚拟工作量证明:一种创新的资产分发协议

自2017年以来,Web3领域进入了资产发行的低门槛时代。各类项目通过IDO、ICO等方式发行自定义代币或NFT,但往往存在强控盘或信息不透明等问题,造成频繁的RugPull现象。

时至今日,传统的IDO和ICO模式已暴露出公平性方面的缺陷。业内一直期待有更加公平可靠的资产发行协议,以解决新项目代币生成时面临的诸多问题。虽然一些创新项目提出了自己的"公平经济模型",但大多未能推广成为通用协议。

那么,什么样的模式才是更公平可靠的资产分发方式?什么样的方案能够成为一套通用协议?本文将介绍的Cellula项目为解决上述问题提供了全新视角。该项目实现了一个模拟POW的资产分发层,利用虚拟工作量证明(vPOW)将资产分发过程"挖矿化",通过模拟比特币来实现更公平的资产分配范式。

虽然Cellula被许多人视为游戏金融项目,但由于其分发的游戏内奖励可以设置为任意类型的Token,理论上Cellula可以作为一个具有POW效应的通用资产分发平台,为Web3资产发行带来更广阔的前景和想象空间。它甚至可以被称为"一场致敬比特币挖矿的社会实验"。

POW和vPOW:不可预测的彩票抽奖

无论是正统的POW还是POS,或是本文要讲的vPOW,本质都是设置一套输出结果难以预测的算法,通过输出结果来进行"彩票抽奖"。比特币矿工需要在本地构造出满足限制条件的区块,提交给网络中的全节点通过共识,才能获得出块奖励。限制条件是要求构造出的区块哈希满足特殊要求,如前缀是6个0。

由于区块哈希的生成结果难以预测,构造出符合条件的区块只能不断变更输入参数进行暴力穷举,对矿工的硬件设备要求很高。

简而言之,比特币挖矿通过SHA-256哈希算法的不可预测性,实现了一套全网矿工在线参与的"彩票抽奖"系统,这种设计以电能为代价,确保了参与形式上的无许可性。

此外,POW是一种更公平的资产分配方式,主流POW公链中项目方控盘的难度比POS公链大很多。在许多POS公链或ICO、IDO方案中,项目方强控盘的案例比比皆是。

例如,Solana币价在FTX和SBF操纵下,曾在2019-2021年暴涨近1000倍,而许多Solana验证节点运营者是其早期投资人,他们获得筹码的成本接近于零,这严重破坏了资产分发的公平性。虽然POW中项目方也有控盘空间,但程度往往要比POS轻得多。

问题在于,POW模式通常被应用于底层公链而非应用层的资产发行。我们能否设计一套可在链上实现的方案,模拟出POW的效果?如果可以,就能实现一套比ICO、IDO等强控盘方案更公平可靠的资产分发协议。结合一些游戏场景,可以开发出有趣的游戏金融项目(当然实际用途不限于游戏,还可以为其他项目提供公平的资产分发方案)。

关键是,如何在链上资产发行层模拟出POW的效果?在Cellula项目中,通过引入著名的"康威生命游戏"算法,为链上虚拟的数字实体(称为"BitLife")分配算力。简单来说,就像让参与者在自己的培养皿中培育细胞集群,随着时间推移,谁的培养皿中存活细胞越多,折算后获得的挖矿算力就越高,越可能获得挖矿奖励。

Cellula将传统POW的哈希计算,替换为另一种结果难以预测的计算方式,改变了"Proof of Work"中的"Work"形式。在Cellula的设计中,关键在于如何获得存活细胞数更多的培养皿(BitLife)。推演BitLife的状态变化需要消耗计算资源,本质上是将比特币挖矿执行的哈希算法变为推演康威生命游戏的特定算法,这被称为vPOW(Virtual POW)。

vPOW的核心:康威生命游戏与BitLife

在详细解读Cellula的机制设计之前,让我们先了解vPOW最重要的核心-----"康威生命游戏"。它最早可追溯到冯·诺依曼于1950年提出的"细胞自动机"概念,后来数学家约翰·康威在1970年正式提出"康威生命游戏",用算法模拟自然界生命的演化规律。

假设我们有一个培养皿,将其按照二维坐标划分出许多小方格,然后对培养皿进行"初始设置",让一些活细胞占据部分方格。此后这些细胞的生死状态将随时间演化,逐渐呈现出形态复杂的细胞集群。这本质上是一个二维格子游戏,规则非常简单:

• 每个细胞有两种状态:存活/死亡,每个细胞和周围八个方格上的细胞会产生互动
• 如果某个存活细胞周围8格内存活细胞少于2个,该细胞进入死亡状态
• 某个存活细胞周围有2个或3个存活细胞时,该细胞保持存活
• 某个存活细胞周围有超过3个存活细胞时,该细胞进入死亡状态(模拟生命数量过多而争抢资源)
• 某个死亡细胞周围有3个存活细胞时,该细胞转为存活状态(模拟细胞增殖)

按照上述规则,给定培养皿细胞状态的初始模式后,细胞状态会随时间推移不断演化迭代,产生千变万化的结果。甚至可以用康威生命游戏模拟出计算机的效果。

例如,培养皿中每个细胞的生/死,对应着二进制的0/1,可以将细胞初始状态视为"输入参数",每个细胞的生死代表输入数据。之后细胞状态会按照初始模式开始演变,每一轮状态变化就相当于计算过程中的一步操作,经过一段时间后得到的状态可以看作"输出"。

只要布置适当的初始模式,康威生命游戏能在经过若干代演变后,输出特定结果。由于初始模式千变万化,可以利用其特性模拟出彩票抽奖的效果。我们可以设置限制条件,每个玩家随机选择一批初始模式,经过100代演化后,输出结果满足特定特征的培养皿主人有资格获取奖励,这与比特币挖矿的思路类似:

"系统先限定哪类输出结果符合要求,参与者向给定算法输入随机的初始值,尝试得到符合要求的输出结果"。由于待尝试的初始输入参数数量庞大,必须付出很大努力才能撞大运中奖,这正是工作量证明的逻辑:矿工必须要付出一定工作量才能获取奖励。

了解了Cellula和康威生命游戏的基本思想后,我们再来看具体的细节设计。Cellula将"培养皿"分为9*9=81个方格,每个方格上的细胞有生/死两种状态(对应二进制的0和1)。这样一来,按照排列组合,培养皿中的细胞初始状态有2^81种,这个数字等于1万亿的平方。

玩家要做的是对培养皿的初始模式(输入参数)进行选择。BitLife充当了培养皿的实体(实际是个NFT),包含81个方格,每个方格上放置一个细胞(可能有生/死两种状态,空置的方格等价于死细胞)。然后,BitLife中每3*3=9个相邻方格构成一个BitCell,每个BitLife由2-9个BitCell拼接而成(如果构造的Bitlife不足9个Bitcell,有些地方就被空置,默认都是死细胞)。

按照排列组合,BitCell(3*3方格)有2^9种初始模式,玩家要做的就是随机挑选不同模式的多个BitCell组合起来,构造出一个BitLife。简单来说,就是为自己的培养皿随便找一个初始模式,而前面讲过,不同的初始模式总计有2^81种,是个天文数字。所以留给参与者的选择空间非常大,这与比特币挖矿中使用SHA-256的场景类似。

BitLife的细胞状态会随着区块高度的增加而变化。Cellula按照不同区块高度下BitLife的状态来分配算力。在给定区块高度下,包含的存活细胞越多的BitLife拥有的算力越高,这就相当于创造了一种虚拟矿机。

举个具体例子,Cellula参与者要在链下穷举BitLife的2^81种初始模式,预测每种模式演化后的状态,然后看能否符合奖励系统的要求。假设现在的区块高度为800,系统提出要求:区块高度为1000时,存活细胞数最多的BitLife能获得最多的奖励,那么参与者的目标会很明确:

在区块高度为800时,我要获取某个模式的BitLife,该模式的BitLife在区块高度为1000时,能比其他BitLife有更多存活细胞。

这就是Cellula的核心玩法,目标是自己构造或从他人手中购买最有可能获得挖矿奖励的BitLife。这种模式相当于允许普通散户/高级散户自行研发矿机,然后可以将自制矿机卖给他人,也可以购买他人的矿机来挖矿。如果要自己造矿机,就需要在链下自行推演出不同模式的BitLife的状态演化,这会耗费计算资源;如果要买别人的矿机,实际上就是买不同初始模式的Bitlife,需要自行判断这些BitLife未来的状态变化,所以还是要在链下自行计算。这是整个Cellula游戏设计中非常有趣的一个点。

理解了游戏的核心机制后,我们再来看其他细节:实际上BitLife中的活细胞可以溢出到初始的99格子外,存活的细胞数可以远大于99个,没有边界限制。如果某个BitLife包含的活跃细胞数不断增多,其分配到的挖矿算力也会越来越高,而如果BitLife的初始模式选择不当,活细胞数越来越少,算力也会越来越低。

系统会每隔5分钟分发一定的挖矿奖励(游戏里称为能量点),根据每个BitLife在网络中的算力份额来分配。

在Cellula中,玩家合成BitLife的过程,就是一个"制造"新矿机的过程。BitLife的实体是一个NFT,在链上被铸造出来后,要进行"充电"操作才能启动挖矿,单次充电有效期为1天、3天和7天,需要支付一笔小额手续费,且到期后需要继续充电。

为了鼓励用户多对BitLife进行充电,Cellula设置了一个"充电抽奖"功能,每次发起充电操作时都可能被选中,获得一些额外奖励(这个奖励与挖矿奖励是独立的)。

![解读Cellula：致敬PO