虚拟工作量证明:Cellula如何模拟比特币挖矿实现公平资产分发

自2017年ERC-20资产流行以来,Web3进入了低门槛的资产发行时代。各种项目通过IDO、ICO等方式发行代币或NFT,但大多存在强控盘或信息不透明问题,频繁出现RugPull现象。

时至今日,传统IDO和ICO的公平性缺陷已充分暴露。人们一直希望有更公平可靠的资产发行协议,解决新项目TGE时的诸多问题。虽然一些创新项目提出了"公平经济模型",但往往缺乏通用性推广。

那么,什么样的模式能实现更公平可靠的资产分发?什么方案可以作为通用协议?本文将介绍的Cellula为解决这些问题提供了新视角。他们实现了一个模拟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",模拟比特币实现更公平的资产分配范式。

虽然Cellula常被视为Gamefi项目,但由于其分发的游戏内奖励可设置为任意类型Token,理论上可作为具有POW效应的资产分发平台,为Web3资产发行带来更广阔前景,甚至可称为"致敬比特币挖矿的社会实验"。

POW和vPOW:结果不可预测的彩票抽奖

无论是正宗的POW、POS,还是vPOW,本质都是设置一套输出结果难以预测的算法,通过输出结果进行"彩票抽奖"。比特币矿工要在本地构造满足条件的区块,提交给网络中的全节点通过共识,才能获得出块奖励。限制条件是构造出的区块Hash满足特殊要求,如前缀是6个0。

由于区块Hash生成结果难以预测,要构造符合条件的区块,只能不断变更输入参数进行暴力穷举,对矿工硬件设备要求很高。

简言之,比特币挖矿通过SHA-256哈希算法的不可预测性,实现了全网矿工在线参与的"彩票抽奖"系统,以电能为代价确保了参与形式上的无许可。

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

如Solana币价在FTX操纵下曾在2019-2021年暴涨近1000倍,而许多Solana验证节点运营者是早期投资者,获得筹码成本接近0,严重破坏了资产分发公平性。虽然POW项目方也有控盘空间,但程度往往比POS轻得多。

问题在于,POW模式通常应用于底层公链而非DAPP的资产发行层。如果能以链上可实现的方案模拟POW效果,就可实现比ICO、IDO等更公平可靠的资产分发协议。搭配游戏场景,可做出有趣的Gamefi(当然实际用途不限于游戏,还可为其他项目提供公平资产分发方案)。

关键是,如何在链上资产发行层模拟POW效果?Cellula通过引入著名的"康威生命游戏"算法,为链上虚拟数字实体(称为"BitLife")分配算力。简言之,参与者在自己的培养皿中繁育细胞集群,随时间推移,谁的培养皿中存活细胞越多,折算后的挖矿算力越高,越可能获得挖矿奖励。

Cellula将传统POW的哈希计算,换成了另一种结果难以预测的计算方式,替换了"Proof of Work"中的"Work"形式。在Cellula思路下,关键在于如何获得存活细胞数更多的培养皿(BitLife),而推演BitLife状态变化需耗费计算资源。本质是把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

在解读Cellula机制设计前,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1950年提出的"细胞自动机"概念,数学家约翰·康威1970年正式提出"康威生命游戏",用算法模拟自然界生命演化规律。

假设有个培养皿,按二维坐标划分成小方格,进行"初始设置",让活细胞占据部分方格,此后细胞生死状态随时间演化,逐渐呈现形态复杂的细胞集群。这本质是二维格子游戏,规则简单:

• 每个细胞有存活/死亡两种状态,每个细胞与周围八个方格上的细胞互动
• 某存活细胞周围8格内存活细胞少于2个,该细胞死亡
• 某存活细胞周围有2-3个存活细胞,该细胞保持存活
• 某存活细胞周围超过3个存活细胞,该细胞死亡(模拟生命数量过多争抢资源)
• 某死亡细胞周围有3个存活细胞,该细胞转为存活(模拟细胞增殖)

在二维培养皿中给定细胞状态初始模式,按上述规则,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。康威生命游戏甚至能模拟出计算机效果。

培养皿中每个细胞的生/死对应二进制0/1,可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,之后细胞状态按初始模式开始演变,每轮状态变化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看作"输出"。

只要布置适当的初始模式,康威生命游戏能在若干代演变后输出特定结果。由于初始模式千变万化,可利用其特性模拟彩票抽奖效果。可设置限制条件,每个玩家随机选择一批初始模式,经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极多,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:矿工必须付出一定工作量才能获取奖励。

理解了Cellula和康威生命游戏的基本思想后,再看具体细节设计。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0和1),这样培养皿中细胞初始状态有2^81种,等于1万亿的平方(基本是天文数字)。

玩家要对培养皿初始模式(输入参数)进行选择。BitLife充当培养皿实体(实际是NFT),包含81个方格,每个方格放置一个细胞(可能有生/死两种状态,空置方格等价于死细胞)。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(如构造的Bitlife不足9个Bitcell,有些地方被空置,默认都是死细胞)。

按排列组合,BitCell(3*3方格)有2^9种初始模式,玩家要随机挑选不同模式的多个BitCell组合,构造出一个BitLife。简言之,就是为自己的培养皿随便找个初始模式,前面讲过,不同初始模式总计有2^81种,是天文数字。所以留给参与者的选择空间极大,这与比特币挖矿使用SHA-256场景类似。

BitLife的细胞状态会随区块高度增加而变化。Cellula按不同区块高度下BitLife的状态分配算力。给定一个区块高度,包含存活细胞越多的BitLife拥有的算力越高,这就相当于创造了虚拟矿机。

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要求。假设当前区块高度为800,系统要求:区块高度为1000时,存活细胞数最多的BitLife能获得最多奖励,那么参与者目标很明确:

在区块高度800时,获取某个模式的BitLife,该模式的BitLife在区块高度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/从他人手上买到最可能获得挖矿奖励的BitLife,这种模式相当于允许普通散户/高级散户自己研发矿机,然后可以把自造矿机卖给别人,也可购买他人矿机来挖矿。自己造矿机,就要在链下自行推演不同模式BitLife的状态演化,会耗费计算资源;买他人矿机,实际是买不同初始模式的Bitlife,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点。

理解游戏核心机制后,再看其他细节:BitLife中的活细胞可以溢出到初始99格子外,存活细胞数可远大于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。

系统每隔5分钟分发一定挖矿奖励(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"制造"新矿机的过程。BitLife实体是NFT,在链上mint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,需支付小额手续费,到期后需继续充电。

为鼓励用户多对BitLife充电,Cellula设置了"充电抽奖"功能,每次发起充电操作时都可能被选中,获得额外奖励(该奖励与挖矿奖励独立)。这块设计在后面Analysoor算法部分会简单介绍。

按Cellula官方规则,目前包含3*3个Bitcell(即包含81个小方格)的BitLife铸造已停止,玩家们共铸造了150多万个此类BitLife,未来新用户可在二级市场购买BitLife并进行充电挖矿。官方解释限量铸造是为维持游戏生态稳定,防止有科学家无限铸造BitLife NFT导致矿机价值缩水。

未来,Cellula将引入类似矿机制造商的角色,这个角色基于许可制,要质押代币、公示销售渠道、具有一定社区规模和影响力等,这些制造商将负责铸造和销售包含4x4个BitCell的BitLife,也就是包含16*9=144个小方格。制造商可铸造的BitLife量,将受其质押代币量限制。

我们大致把vPOW涉及的核心概念通俗解释了一遍。vPOW本质是基于给定规则的计算模型,参与者可通过优化策略参与竞争,以游戏化方式进行