地圖顛覆者HYPERION：用共識(shí)丈量地球

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導(dǎo)言

地圖是什么?

我們的生活太依賴于地圖，以至于我們已經(jīng)不再重新思考這樣基本的問(wèn)題。這就如同我們不會(huì)問(wèn)自己空氣、水是什么一樣。

最早人們把地圖看作是地球表面縮小在平面上的圖形，也即“空間數(shù)據(jù)的可視化”。而到了現(xiàn)代，地圖已經(jīng)并不局限于表示地表可見(jiàn)的現(xiàn)象，而是包含和更多無(wú)形的地理和氣候現(xiàn)象，比如氣溫、氣壓、降雨等。

但真正讓我們徹底沉溺其中的是展示了包括交通信息、商業(yè)信息、居住信息等龐大的社會(huì)信息在內(nèi)的電子地圖。電子地圖已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單的“地理現(xiàn)實(shí)世界的表現(xiàn)或抽象”(by Board,Weiss)，地圖的模擬、信息負(fù)載、信息傳輸、認(rèn)知功能已經(jīng)延伸到了消費(fèi)社會(huì)的絕大部分領(lǐng)域，包括數(shù)據(jù)搜集和承載、社交引導(dǎo)、消費(fèi)引導(dǎo)、公共事務(wù)管理等等。地圖自此由主要記錄地理數(shù)據(jù)變?yōu)橹饕涗浫祟惢顒?dòng)數(shù)據(jù)，由“地理地圖”變?yōu)榱?ldquo;社會(huì)地圖”。

然而故事遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束。以蜂圖志(Mapxus)、地圖盒子(Mapbox)等為代表的開(kāi)放地圖為地圖引入了全新的“共建”理念。但“共建”意味著需要“價(jià)值共享”作為支撐。這成為了共享式地圖建設(shè)的瓶頸。

而當(dāng)區(qū)塊鏈技術(shù)——“價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)”——出現(xiàn)時(shí)，顛覆性的改變終于成為了可能。

共識(shí)地圖的三大難點(diǎn)

相對(duì)于中心化的電子地圖，共識(shí)地圖是人人參與的地圖，是“活著的地圖”(a Living Map)。然而如果需要完成人人參與，首先要回答三個(gè)問(wèn)題：

1一張地圖(相對(duì)固定)如何處理和容納時(shí)刻變化著的不可以預(yù)測(cè)的信息(絕對(duì)變化)?

2如何在海量的元數(shù)據(jù)(未加工數(shù)據(jù))中快速且正確的調(diào)取所需數(shù)據(jù)(精準(zhǔn)數(shù)據(jù))?

3如何改進(jìn)現(xiàn)有的區(qū)塊鏈技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)共識(shí)地圖的夢(mèng)想?(區(qū)塊鏈性能瓶頸)

那么，我們需要如何作答呢?

HYPERION的答案

HYPERION給出了答案。HYPERION是一個(gè)“眾包技術(shù)、眾享經(jīng)濟(jì)、眾治社區(qū)”三體一體的共識(shí)地圖生態(tài)體系(Hyperion Trinity)，它通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)整合了地圖技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)結(jié)構(gòu)三個(gè)重要維度，以最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、自治的地圖經(jīng)濟(jì)。在這個(gè)體系內(nèi)，民眾有能力構(gòu)建地圖技術(shù)、得到經(jīng)濟(jì)回報(bào)、參與地圖社區(qū)的治理。

HYPERION擁有開(kāi)創(chuàng)性的底層技術(shù)，在分層雙鏈設(shè)計(jì)、彈性空間分片技術(shù)、多核局部瓦片技術(shù)、分布式密鑰、零知識(shí)定位證明、匿名概要文件等多個(gè)領(lǐng)域，定義了3.0共識(shí)地圖時(shí)代。

分層雙鏈設(shè)計(jì)

HYPERION的核心是ATLAS公鏈?—?一個(gè)可擴(kuò)展和靈活的區(qū)塊鏈架構(gòu)，由一條主鏈和一條工作鏈組成。

為了融合不同的使用場(chǎng)景和使用者，ATLAS公鏈采用了獨(dú)特的分層雙鏈設(shè)計(jì)。ATLAS在主鏈上使用了bft+dpos作為第一協(xié)議層(layer1)的共識(shí)算法。在這種混合算法中，將通過(guò)誠(chéng)信節(jié)點(diǎn)(被社區(qū)選舉的可信帳戶)保證其可靠性，并通過(guò)拜占庭容錯(cuò)協(xié)議的變體(a variant of the Byzantine Fault Tolerant protocol)最終達(dá)成一致。這使得HYPERION能夠集中節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力處理交易和智能合約，進(jìn)一步提高速度和效率。

這種混合算法中的pBFT算法支持的最大容錯(cuò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量是(n-1)/3，完成pBFT基本流程需要完成客戶端發(fā)送請(qǐng)求給主節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)廣播請(qǐng)求給其它節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)執(zhí)行pBFT三階段共識(shí)流程、節(jié)點(diǎn)返回消息給客戶端、客戶端接收來(lái)自f+1個(gè)節(jié)點(diǎn)的相同消息后，代表共識(shí)已經(jīng)正確完成。

在這一過(guò)程中，可以通過(guò)設(shè)置Stable Checkpoint(穩(wěn)定檢查點(diǎn)，即大部分節(jié)點(diǎn)已經(jīng)共識(shí)完成的最大請(qǐng)求序號(hào))來(lái)減少內(nèi)存的占用。其邏輯是，為了避免因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)記錄的共識(shí)數(shù)據(jù)不斷積累會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余，那么，一但某節(jié)點(diǎn)被確定為穩(wěn)定檢查點(diǎn)，其之前的記錄就可以刪掉從而減少內(nèi)存的占用了。這將極大地降低數(shù)據(jù)負(fù)載，從而提高ATLAS的使用效率。

ATLAS在工作鏈中將使用pBFT+SCP作為第二協(xié)議層(layer2)的共識(shí)算法。SCP(空間共識(shí)協(xié)議)包含基于社會(huì)博弈模型構(gòu)建的自動(dòng)地圖數(shù)據(jù)驗(yàn)證協(xié)議(靜態(tài)位置數(shù)據(jù))和可驗(yàn)證安全定位服務(wù)(動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù))。SCP具有一組可驗(yàn)證的安全屬性，這些屬性根據(jù)如何安全地保持活力而做了優(yōu)化。一旦出現(xiàn)分區(qū)或不當(dāng)行為節(jié)點(diǎn)，它將會(huì)終止網(wǎng)絡(luò)過(guò)程，直至達(dá)成共識(shí)。在SCP 同時(shí)具備四種屬性：去中心控制、低延遲、靈活信任機(jī)制和漸進(jìn)安全。工作鏈?zhǔn)褂胮BFT+SCP的混合算法可以在高容錯(cuò)的基礎(chǔ)上極大的提高區(qū)塊鏈的工作效率，并可以為分散在全球的數(shù)據(jù)提供機(jī)構(gòu)賦能。

極簡(jiǎn)美學(xué)：希爾伯特曲線

作為第一代區(qū)塊鏈技術(shù)的代表，比特幣公鏈具有驚人的“極簡(jiǎn)美學(xué)”。

中本聰將哈希函數(shù)(Hash function)在比特幣公鏈的不同場(chǎng)景中做了精妙且豐富的運(yùn)用。哈希函數(shù)是一種單向密碼體制，它是一個(gè)從明文到密文的不可逆的映射。在比特幣公鏈中，工作量證明(POW)利用了哈希函數(shù)SHA-256，生成以多個(gè)0開(kāi)始的散列值。而在梅克爾樹(shù)(Merkle tree)、散列指針(Hash pointer)、數(shù)字簽名(Digital signature)等的生成和使用上，中本聰也均使用了哈希函數(shù)固定長(zhǎng)度輸出、單向不可逆、碰撞約束的特性。可以說(shuō)，比特幣公鏈之所以優(yōu)美，是因?yàn)樗菍?duì)哈希函數(shù)這一“簡(jiǎn)單”理論的“極致”運(yùn)用。

同比特幣公鏈對(duì)哈希函數(shù)理論的運(yùn)用一樣，ATLAS公鏈在設(shè)計(jì)時(shí)，也充分利用了希爾伯特曲線(Hilbert Curve)的特性，使之成為了ATLAS所獨(dú)有的極簡(jiǎn)美學(xué)。

希爾伯特曲線是一種一維分形曲線。如同哈希函數(shù)在比特幣公鏈中的多維運(yùn)用一樣，在HYPERION的設(shè)計(jì)中，使用希爾伯特曲線的特性可以同時(shí)完成四大使命：

一是利用希爾伯特曲線特性完成空間填充，即用唯一的標(biāo)識(shí)來(lái)處理地球上的每個(gè)位置。二是利用希爾伯特曲線完成系統(tǒng)的負(fù)載均衡，即在本地支持高維度樹(shù)結(jié)構(gòu)，并在低維中均勻地劃分?jǐn)?shù)據(jù)工作負(fù)載。三是利用希爾伯特曲線增加對(duì)象的確定性，即啟用惰性分配方法，避免系統(tǒng)因?yàn)槲恢霉?jié)點(diǎn)的合并/拆分操作付出過(guò)高代價(jià)。四是利用希爾伯特曲線保持局部性存儲(chǔ)，使網(wǎng)絡(luò)和本地應(yīng)用保持位置和數(shù)據(jù)的一致，并在本地同時(shí)生成處理單元，為系統(tǒng)提供支持。

可以說(shuō)，HYPERION對(duì)希爾伯特曲線的運(yùn)用是對(duì)比特幣公鏈精髓最好的傳承，同時(shí)也是對(duì)3.0時(shí)代共識(shí)地圖時(shí)代最重要的貢獻(xiàn)。

彈性空間分片

眾所周知的是分片技術(shù)旨在解決區(qū)塊鏈擴(kuò)容的問(wèn)題。其特性是可以進(jìn)行水平擴(kuò)容，這意味著，分片技術(shù)的運(yùn)用可以使網(wǎng)絡(luò)的吞吐量隨著挖礦網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展而增加。

ATLAS首創(chuàng)的彈性空間分片不僅僅是一個(gè)區(qū)塊鏈技術(shù)概念，更是一個(gè)運(yùn)用希爾伯特曲線改造地圖數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的全新理念。它分為鏈上數(shù)據(jù)分片和鏈下數(shù)據(jù)分片兩部分。

一方面，在鏈上部分，彈性空間分片技術(shù)將保留“自下而上”式的無(wú)限分片技術(shù)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，即其可以自動(dòng)分割和合并以適應(yīng)負(fù)載的變化。這意味著即使某些使用HYPERION的服務(wù)(如To B的商用服務(wù))將變得非常容易、流暢，新的區(qū)塊總是能夠快速生成，并且不需要長(zhǎng)時(shí)間排隊(duì)，有助于降低交易成本。

另一方面，在鏈下部分，彈性空間分片技術(shù)將利用希爾伯特曲線在空間填充中的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)填充操作的精確性和大規(guī)模并行。

作為一維曲線希爾伯特曲線可以依據(jù)自身空間填充曲線的特性線性的貫穿二維或者更高維度的每個(gè)離散單元，且僅僅穿過(guò)一次。不但如此，經(jīng)過(guò)希爾伯特曲線的貫穿，會(huì)對(duì)每個(gè)離散單元進(jìn)行線性排序和編碼，從而成為該單元的唯一標(biāo)識(shí)。這也有助于使用確定性特征對(duì)對(duì)象分配惰性操作。

同時(shí)，運(yùn)用希爾伯特分形曲線的分解特性原生支持高維樹(shù)結(jié)構(gòu)，在低維空間均勻分布載荷，可以增加系統(tǒng)的抗偏度。

希爾伯特分形曲線將高維空間中沒(méi)有良好順序的數(shù)據(jù)映射到一維空間的編碼方式，會(huì)自動(dòng)形成空間上相鄰的對(duì)象的鄰近存儲(chǔ)。這也可以減少IO的時(shí)間，提高內(nèi)存中數(shù)據(jù)處理效率。

除利用希爾伯特曲線的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)外，空間分片技術(shù)還可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的截取實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵范圍的宏共享，然后通過(guò)將樹(shù)結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)劃分為本地處理單元，再進(jìn)行大規(guī)模、并行化微共享。這對(duì)共識(shí)地圖同時(shí)達(dá)到的“去中心化”“安全”和“高效低耗”提供了一種實(shí)現(xiàn)可能。

第二次空間分片

在不同環(huán)境條件下，地圖選擇性的加載具有不同細(xì)節(jié)的圖像資源，可以提高圖像的呈現(xiàn)效率。這種通過(guò)分割加載的圖像加載技術(shù)廣泛用于電子地圖之中，被形象的稱為“瓦片技術(shù)”。而運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)如何高效的對(duì)這些圖像切片數(shù)據(jù)、特別是邊緣切片圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行大規(guī)模并行處理，是共識(shí)地圖需要解決的難題。

ATLAS利用希爾伯特函數(shù)的特性，通過(guò)采用一種全新的局部?jī)?yōu)化、節(jié)省存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——希爾伯特瓦片結(jié)構(gòu)(Hilbert-ordered tiles)——解決了這一難題。

希爾伯特瓦片是一個(gè)獨(dú)立的批邊緣處理單元。它同時(shí)兼具高局部性和良好的可壓縮性，這為大規(guī)模圖形處理提供了極大的彈性，從而也更容易在多節(jié)點(diǎn)的分布式操作系統(tǒng)上形成簡(jiǎn)明、有效負(fù)載平衡方案。

在地圖圖像處理中，希爾伯特瓦片式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無(wú)論是用在協(xié)處理器還是主處理器都有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)希爾伯特瓦片結(jié)構(gòu)用于協(xié)處理器時(shí)，它可以為邊緣圖形的處理工作提供更好的緩存位置。同時(shí)，它還能通過(guò)預(yù)取實(shí)現(xiàn)I/O并發(fā)，從而提升系統(tǒng)性能。

當(dāng)希爾伯特瓦片結(jié)構(gòu)用于主機(jī)處理器時(shí)，它可以允許操作者進(jìn)行連續(xù)不斷的磁盤訪問(wèn)。原因是這些訪問(wèn)數(shù)據(jù)則小到可以繞過(guò)負(fù)載平衡問(wèn)題。另一方面，利用希爾伯特瓦片結(jié)構(gòu)的特性，系統(tǒng)緩存可以被放置在以頂點(diǎn)為中心的圖計(jì)算模型中(vertex-centric operations)。

運(yùn)用希爾伯特瓦片結(jié)構(gòu)的這一特點(diǎn)，ATLAS系統(tǒng)具有了極高的數(shù)據(jù)彈性。當(dāng)我們?cè)谠O(shè)備本地運(yùn)行數(shù)據(jù)抓取(Pull)命令時(shí)，ATLAS會(huì)同時(shí)下達(dá)數(shù)據(jù)壓縮命令(Reduce)。處于頂點(diǎn)處的數(shù)據(jù)將被壓縮以節(jié)約資源，提高系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率。這一操作對(duì)于本地圖形和全局圖形都是如此。

基于此，當(dāng)我們使用ATLAS時(shí)，高數(shù)據(jù)彈性帶來(lái)的流暢的體驗(yàn)將很難讓我們感受到ATLAS是一個(gè)基于分布式系統(tǒng)的共識(shí)地圖。

分布式密鑰

作為一個(gè)龐大的共識(shí)地圖系統(tǒng)，ATLAS在處理各種地圖數(shù)據(jù)的同時(shí)，也必然會(huì)跟蹤用戶位置，保存并調(diào)用用戶配置和本地?cái)?shù)據(jù)。然而這些數(shù)據(jù)可能包含著關(guān)于用戶隱私的敏感信息。ATLAS將運(yùn)用分布式密鑰、零知識(shí)定位證明和匿名概要文件技術(shù)來(lái)保護(hù)這些數(shù)據(jù)。

密鑰生成是密碼系統(tǒng)的重要部分，對(duì)整個(gè)密碼系統(tǒng)的安全性起著至關(guān)重要的作用。ATLAS采用的分布式密鑰生成協(xié)議允許多個(gè)參與者共同合作生成一個(gè)密碼系統(tǒng)的公鑰和私鑰，使得公鑰以公開(kāi)形式輸出，而私鑰被參與者按照某一秘密分享方案分享。

在ATLAS使用的分布式密匙生成協(xié)議中，n個(gè)受托人將共同生成一個(gè)公鑰/私鑰對(duì)，其中私鑰可以通過(guò)非交互式零知識(shí)證明的方法，驗(yàn)證其有效性，并通過(guò)“t-out-of-n”方案來(lái)完成檢索，這大大提高了私鑰的安全性。

零知識(shí)定位證明

地圖的使用用戶通常對(duì)位置跟蹤非常敏感。ATLAS在用戶的位置追蹤上使用了零知識(shí)證明設(shè)計(jì)。

零知識(shí)證明(Zero—Knowledge Proof)是指證明者能夠在不向驗(yàn)證者提供任何有用的信息的情況下，使驗(yàn)證者相信某個(gè)論斷是正確的。其優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)證明者向驗(yàn)證者證明并使其相信自己知道或擁有某一消息，但證明過(guò)程不能向驗(yàn)證者泄漏任何關(guān)于被證明消息的信息。

ATLAS大部分使用位置追蹤的功能上使用了零知識(shí)證明。即若ATLAS用戶A在使用ATLAS時(shí)不得不將自己的位置信息共享，但用戶B則可以在無(wú)法獲知A位置數(shù)據(jù)的情況下通過(guò)ATLAS確定A在其圈定的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，并向其推送商業(yè)廣告。這樣，ATLAS就在保護(hù)A用戶隱私的前提下，同時(shí)滿足了B用戶的商業(yè)需求。

匿名概要文件

ATLAS在概要文件的隱私上也采用了新的思路。概要文件是口令限制和資源限制的命名集合，可以看作是 Oracle安全策略最重要的部分。利用概要文件可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)用戶進(jìn)行口令管理、資源限制。使用概要文件可以實(shí)現(xiàn)限制用戶執(zhí)行消耗資源過(guò)度的SQL操作、自動(dòng)斷開(kāi)空閑會(huì)話、在大而復(fù)雜的多用戶數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中合理分配資源、控制用戶口令的使用等等。

ATLAS在第三方訪問(wèn)中保持用戶資料匿名，它可以在不支持長(zhǎng)期系統(tǒng)跟蹤的情況下存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，即使用混合廣播、可驗(yàn)證隨機(jī)機(jī)制、一次性假名、環(huán)形簽名等方式在有效保存數(shù)據(jù)的同時(shí)保護(hù)用戶隱私。所有的信息反饋及與系統(tǒng)的交互將通過(guò)可鏈接環(huán)形簽名來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有的參與者都可以接收到其反饋，并獲知反饋來(lái)自一個(gè)注冊(cè)用戶，卻不知道該用戶的確切身份。這也將有效的保護(hù)用戶的個(gè)人隱私在使用ATLAS的過(guò)程中不被侵犯。

一張來(lái)自未來(lái)的地圖

建立在ATLAS公鏈基礎(chǔ)上的HYPERION是對(duì)傳統(tǒng)的物理地圖和語(yǔ)義地圖的跨越式升級(jí)。它改變了傳統(tǒng)中心化地圖的數(shù)據(jù)不完整、不準(zhǔn)確，缺乏透明性、私密性與產(chǎn)權(quán)制度缺位的弊端。HYPERION對(duì)信息流的處理可以被稱為“在混沌中尋找確定性”。

傳統(tǒng)的中心化地圖當(dāng)?shù)貓D信息超過(guò)時(shí)效時(shí)無(wú)法做出敏捷處理。而針對(duì)現(xiàn)代人類生活中對(duì)地圖信息的實(shí)際需求，信息的及時(shí)性顯得越來(lái)越重要。雖然地圖信息的及時(shí)性要求并未達(dá)到社交類、消費(fèi)類系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，但信息流更新的順暢程度顯然已經(jīng)成了制約地圖產(chǎn)業(yè)深度發(fā)展的技術(shù)門檻。

對(duì)于共識(shí)地圖HYPERION來(lái)說(shuō)，其開(kāi)創(chuàng)的“眾包技術(shù)”模型，無(wú)異于開(kāi)啟了“實(shí)時(shí)信息流地圖”的新時(shí)代，即用戶提供混沌的即時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)又在這個(gè)數(shù)據(jù)洪流中自發(fā)尋找確定性。通過(guò)這一開(kāi)創(chuàng)性的革新，HYPERION將解決在地圖制作到使用的過(guò)程中長(zhǎng)久以來(lái)存在的信息偏差的難題。

此外，HYPERION的共享地圖經(jīng)濟(jì)理念是對(duì)免費(fèi)地圖經(jīng)濟(jì)模型的一次跨越。免費(fèi)地圖經(jīng)濟(jì)事實(shí)上是透過(guò)提供免費(fèi)的地圖服務(wù)，獲取用戶數(shù)據(jù)及隱私，來(lái)達(dá)到獲利的目的。也即免費(fèi)是以對(duì)用戶隱私進(jìn)行追蹤為代價(jià)的。而HYPERION將最終通過(guò)對(duì)地圖技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)結(jié)構(gòu)三個(gè)重要維度的創(chuàng)新和有機(jī)整合改變這一現(xiàn)狀。

以“眾包技術(shù)、眾享經(jīng)濟(jì)、眾治社區(qū)”為三體一體的HYPERION體系，其數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)社區(qū)基于空間共識(shí)協(xié)議產(chǎn)生，地圖技術(shù)節(jié)點(diǎn)由技術(shù)社區(qū)全球分布式維護(hù)，技術(shù)和治理社區(qū)由持有以數(shù)字地權(quán)的代理人共同治理，并最終通過(guò)數(shù)字地權(quán)激勵(lì)全部貢獻(xiàn)者。HYPERION的經(jīng)濟(jì)收入最終將由收益由數(shù)字地權(quán)持有者共享，以智能合同完成自動(dòng)分配。這套生態(tài)系統(tǒng)將最終形成一個(gè)以ATLAS為基礎(chǔ)，以數(shù)字地權(quán)為憑證的完整、真實(shí)、公平的價(jià)值體系，開(kāi)啟地圖經(jīng)濟(jì)的全新時(shí)代。

HYPERION，一張來(lái)自未來(lái)的地圖，正逐漸向我們展露它的全景。

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