地圖顛覆者HYPERION：用共識丈量地球

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導言

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題。這就如同我們不會問自己空氣、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的現(xiàn)象，而是包含和更多無形的地理和氣候現(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信息在內的電子地圖。電子地圖已經(jīng)不再是簡單的“地理現(xiàn)實世界的表現(xiàn)或抽象”(by Board,Weiss)，地圖的模擬、信息負載、信息傳輸、認知功能已經(jīng)延伸到了消費社會的絕大部分領域，包括數(shù)據(jù)搜集和承載、社交引導、消費引導、公共事務管理等等。地圖自此由主要記錄地理數(shù)據(jù)變?yōu)橹饕涗浫祟惢顒訑?shù)據(jù)，由“地理地圖”變?yōu)榱?ldquo;社會地圖”。

然而故事遠遠沒有結束。以蜂圖志(Mapxus)、地圖盒子(Mapbox)等為代表的開放地圖為地圖引入了全新的“共建”理念。但“共建”意味著需要“價值共享”作為支撐。這成為了共享式地圖建設的瓶頸。

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

共識地圖的三大難點

相對于中心化的電子地圖，共識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，首先要回答三個問題：

1一張地圖(相對固定)如何處理和容納時刻變化著的不可以預測的信息(絕對變化)?

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

3如何改進現(xiàn)有的區(qū)塊鏈技術才能實現(xiàn)共識地圖的夢想?(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“眾包技術、眾享經(jīng)濟、眾治社區(qū)”三體一體的共識地圖生態(tài)體系(Hyperion Trinity)，它通過區(qū)塊鏈技術整合了地圖技術、經(jīng)濟與社會結構三個重要維度，以最終實現(xiàn)可持續(xù)、自治的地圖經(jīng)濟。在這個體系內，民眾有能力構建地圖技術、得到經(jīng)濟回報、參與地圖社區(qū)的治理。

HYPERION擁有開創(chuàng)性的底層技術，在分層雙鏈設計、彈性空間分片技術、多核局部瓦片技術、分布式密鑰、零知識定位證明、匿名概要文件等多個領域，定義了3.0共識地圖時代。

分層雙鏈設計

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

為了融合不同的使用場景和使用者，ATLAS公鏈采用了獨特的分層雙鏈設計。ATLAS在主鏈上使用了bft+dpos作為第一協(xié)議層(layer1)的共識算法。在這種混合算法中，將通過誠信節(jié)點(被社區(qū)選舉的可信帳戶)保證其可靠性，并通過拜占庭容錯協(xié)議的變體(a variant of the Byzantine Fault Tolerant protocol)最終達成一致。這使得HYPERION能夠集中節(jié)點的計算能力處理交易和智能合約，進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節(jié)點數(shù)量是(n-1)/3，完成pBFT基本流程需要完成客戶端發(fā)送請求給主節(jié)點、主節(jié)點廣播請求給其它節(jié)點、節(jié)點執(zhí)行pBFT三階段共識流程、節(jié)點返回消息給客戶端、客戶端接收來自f+1個節(jié)點的相同消息后，代表共識已經(jīng)正確完成。

在這一過程中，可以通過設置Stable Checkpoint(穩(wěn)定檢查點，即大部分節(jié)點已經(jīng)共識完成的最大請求序號)來減少內存的占用。其邏輯是，為了避免因為每個節(jié)點記錄的共識數(shù)據(jù)不斷積累會導致數(shù)據(jù)冗余，那么，一但某節(jié)點被確定為穩(wěn)定檢查點，其之前的記錄就可以刪掉從而減少內存的占用了。這將極大地降低數(shù)據(jù)負載，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)的共識算法。SCP(空間共識協(xié)議)包含基于社會博弈模型構建的自動地圖數(shù)據(jù)驗證協(xié)議(靜態(tài)位置數(shù)據(jù))和可驗證安全定位服務(動態(tài)位置數(shù)據(jù))。SCP具有一組可驗證的安全屬性，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)或不當行為節(jié)點，它將會終止網(wǎng)絡過程，直至達成共識。在SCP 同時具備四種屬性：去中心控制、低延遲、靈活信任機制和漸進安全。工作鏈使用pBFT+SCP的混合算法可以在高容錯的基礎上極大的提高區(qū)塊鏈的工作效率，并可以為分散在全球的數(shù)據(jù)提供機構賦能。

極簡美學：希爾伯特曲線

作為第一代區(qū)塊鏈技術的代表，比特幣公鏈具有驚人的“極簡美學”。

中本聰將哈希函數(shù)(Hash function)在比特幣公鏈的不同場景中做了精妙且豐富的運用。哈希函數(shù)是一種單向密碼體制，它是一個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0開始的散列值。而在梅克爾樹(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)固定長度輸出、單向不可逆、碰撞約束的特性。可以說，比特幣公鏈之所以優(yōu)美，是因為它是對哈希函數(shù)這一“簡單”理論的“極致”運用。

同比特幣公鏈對哈希函數(shù)理論的運用一樣，ATLAS公鏈在設計時，也充分利用了希爾伯特曲線(Hilbert Curve)的特性，使之成為了ATLAS所獨有的極簡美學。

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用一樣，在HYPERION的設計中，使用希爾伯特曲線的特性可以同時完成四大使命：

一是利用希爾伯特曲線特性完成空間填充，即用唯一的標識來處理地球上的每個位置。二是利用希爾伯特曲線完成系統(tǒng)的負載均衡，即在本地支持高維度樹結構，并在低維中均勻地劃分數(shù)據(jù)工作負載。三是利用希爾伯特曲線增加對象的確定性，即啟用惰性分配方法，避免系統(tǒng)因為位置節(jié)點的合并/拆分操作付出過高代價。四是利用希爾伯特曲線保持局部性存儲，使網(wǎng)絡和本地應用保持位置和數(shù)據(jù)的一致，并在本地同時生成處理單元，為系統(tǒng)提供支持。

可以說，HYPERION對希爾伯特曲線的運用是對比特幣公鏈精髓最好的傳承，同時也是對3.0時代共識地圖時代最重要的貢獻。

彈性空間分片

眾所周知的是分片技術旨在解決區(qū)塊鏈擴容的問題。其特性是可以進行水平擴容，這意味著，分片技術的運用可以使網(wǎng)絡的吞吐量隨著挖礦網(wǎng)絡的擴展而增加。

ATLAS首創(chuàng)的彈性空間分片不僅僅是一個區(qū)塊鏈技術概念，更是一個運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，彈性空間分片技術將保留“自下而上”式的無限分片技術的全部優(yōu)點，即其可以自動分割和合并以適應負載的變化。這意味著即使某些使用HYPERION的服務(如To B的商用服務)將變得非常容易、流暢，新的區(qū)塊總是能夠快速生成，并且不需要長時間排隊，有助于降低交易成本。

另一方面，在鏈下部分，彈性空間分片技術將利用希爾伯特曲線在空間填充中的優(yōu)勢，實現(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離散單元，且僅僅穿過一次。不但如此，經(jīng)過希爾伯特曲線的貫穿，會對每個離散單元進行線性排序和編碼，從而成為該單元的唯一標識。這也有助于使用確定性特征對對象分配惰性操作。

同時，運用希爾伯特分形曲線的分解特性原生支持高維樹結構，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有良好順序的數(shù)據(jù)映射到一維空間的編碼方式，會自動形成空間上相鄰的對象的鄰近存儲。這也可以減少IO的時間，提高內存中數(shù)據(jù)處理效率。

除利用希爾伯特曲線的獨有優(yōu)勢外，空間分片技術還可以通過對數(shù)據(jù)的截取實現(xiàn)對關鍵范圍的宏共享，然后通過將樹結構將數(shù)據(jù)劃分為本地處理單元，再進行大規(guī)模、并行化微共享。這對共識地圖同時達到的“去中心化”“安全”和“高效低耗”提供了一種實現(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節(jié)的圖像資源，可以提高圖像的呈現(xiàn)效率。這種通過分割加載的圖像加載技術廣泛用于電子地圖之中，被形象的稱為“瓦片技術”。而運用區(qū)塊鏈技術如何高效的對這些圖像切片數(shù)據(jù)、特別是邊緣切片圖像數(shù)據(jù)進行大規(guī)模并行處理，是共識地圖需要解決的難題。

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

希爾伯特瓦片是一個獨立的批邊緣處理單元。它同時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)點的分布式操作系統(tǒng)上形成簡明、有效負載平衡方案。

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

當希爾伯特瓦片結構用于協(xié)處理器時，它可以為邊緣圖形的處理工作提供更好的緩存位置。同時，它還能通過預取實現(xiàn)I/O并發(fā)，從而提升系統(tǒng)性能。

當希爾伯特瓦片結構用于主機處理器時，它可以允許操作者進行連續(xù)不斷的磁盤訪問。原因是這些訪問數(shù)據(jù)則小到可以繞過負載平衡問題。另一方面，利用希爾伯特瓦片結構的特性，系統(tǒng)緩存可以被放置在以頂點為中心的圖計算模型中(vertex-centric operations)。

運用希爾伯特瓦片結構的這一特點，ATLAS系統(tǒng)具有了極高的數(shù)據(jù)彈性。當我們在設備本地運行數(shù)據(jù)抓取(Pull)命令時，ATLAS會同時下達數(shù)據(jù)壓縮命令(Reduce)。處于頂點處的數(shù)據(jù)將被壓縮以節(jié)約資源，提高系統(tǒng)整體的運行效率。這一操作對于本地圖形和全局圖形都是如此。

基于此，當我們使用ATLAS時，高數(shù)據(jù)彈性帶來的流暢的體驗將很難讓我們感受到ATLAS是一個基于分布式系統(tǒng)的共識地圖。

分布式密鑰

作為一個龐大的共識地圖系統(tǒng)，ATLAS在處理各種地圖數(shù)據(jù)的同時，也必然會跟蹤用戶位置，保存并調用用戶配置和本地數(shù)據(jù)。然而這些數(shù)據(jù)可能包含著關于用戶隱私的敏感信息。ATLAS將運用分布式密鑰、零知識定位證明和匿名概要文件技術來保護這些數(shù)據(jù)。

密鑰生成是密碼系統(tǒng)的重要部分，對整個密碼系統(tǒng)的安全性起著至關重要的作用。ATLAS采用的分布式密鑰生成協(xié)議允許多個參與者共同合作生成一個密碼系統(tǒng)的公鑰和私鑰，使得公鑰以公開形式輸出，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個受托人將共同生成一個公鑰/私鑰對，其中私鑰可以通過非交互式零知識證明的方法，驗證其有效性，并通過“t-out-of-n”方案來完成檢索，這大大提高了私鑰的安全性。

零知識定位證明

地圖的使用用戶通常對位置跟蹤非常敏感。ATLAS在用戶的位置追蹤上使用了零知識證明設計。

零知識證明(Zero—Knowledge Proof)是指證明者能夠在不向驗證者提供任何有用的信息的情況下，使驗證者相信某個論斷是正確的。其優(yōu)點是，當證明者向驗證者證明并使其相信自己知道或擁有某一消息，但證明過程不能向驗證者泄漏任何關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證明。即若ATLAS用戶A在使用ATLAS時不得不將自己的位置信息共享，但用戶B則可以在無法獲知A位置數(shù)據(jù)的情況下通過ATLAS確定A在其圈定的目標區(qū)域內，并向其推送商業(yè)廣告。這樣，ATLAS就在保護A用戶隱私的前提下，同時滿足了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數(shù)據(jù)庫用戶進行口令管理、資源限制。使用概要文件可以實現(xiàn)限制用戶執(zhí)行消耗資源過度的SQL操作、自動斷開空閑會話、在大而復雜的多用戶數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中合理分配資源、控制用戶口令的使用等等。

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

一張來自未來的地圖

建立在ATLAS公鏈基礎上的HYPERION是對傳統(tǒng)的物理地圖和語義地圖的跨越式升級。它改變了傳統(tǒng)中心化地圖的數(shù)據(jù)不完整、不準確，缺乏透明性、私密性與產(chǎn)權制度缺位的弊端。HYPERION對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?shù)貓D信息超過時效時無法做出敏捷處理。而針對現(xiàn)代人類生活中對地圖信息的實際需求，信息的及時性顯得越來越重要。雖然地圖信息的及時性要求并未達到社交類、消費類系統(tǒng)的標準，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)展的技術門檻。

對于共識地圖HYPERION來說，其開創(chuàng)的“眾包技術”模型，無異于開啟了“實時信息流地圖”的新時代，即用戶提供混沌的即時數(shù)據(jù)，同時又在這個數(shù)據(jù)洪流中自發(fā)尋找確定性。通過這一開創(chuàng)性的革新，HYPERION將解決在地圖制作到使用的過程中長久以來存在的信息偏差的難題。

此外，HYPERION的共享地圖經(jīng)濟理念是對免費地圖經(jīng)濟模型的一次跨越。免費地圖經(jīng)濟事實上是透過提供免費的地圖服務，獲取用戶數(shù)據(jù)及隱私，來達到獲利的目的。也即免費是以對用戶隱私進行追蹤為代價的。而HYPERION將最終通過對地圖技術、經(jīng)濟與社會結構三個重要維度的創(chuàng)新和有機整合改變這一現(xiàn)狀。

以“眾包技術、眾享經(jīng)濟、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)基于空間共識協(xié)議產(chǎn)生，地圖技術節(jié)點由技術社區(qū)全球分布式維護，技術和治理社區(qū)由持有以數(shù)字地權的代理人共同治理，并最終通過數(shù)字地權激勵全部貢獻者。HYPERION的經(jīng)濟收入最終將由收益由數(shù)字地權持有者共享，以智能合同完成自動分配。這套生態(tài)系統(tǒng)將最終形成一個以ATLAS為基礎，以數(shù)字地權為憑證的完整、真實、公平的價值體系，開啟地圖經(jīng)濟的全新時代。

HYPERION，一張來自未來的地圖，正逐漸向我們展露它的全景。

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