论文：时间证明（time certificate）共识算法
时间证明（time certificate）共识算法
摘 要
这个世界的本质是被时间烙印下的种种痕迹，如果你想改变之前的结果除非你能穿越时空。通过时间去证明无法篡改且达成合理事实的算法称之为时间证明算法。
时间证明共识算法（time certificate）简称TC，受启发于量子物理学。处于纠缠态的量子信息具有不确定性的特征，观察者介入，量子退相干效应发生，量子系统的信息被确定。在TC系统中未被确认的区块如同纠缠的量子，存在作弊、数据离线的可能性。TC系统在宏观展现上，区块确认的过程类似于观察量子的过程，证实这些交易数据是合法的过程如同量子退相干效应的过程，最终区块信息通过共识机制被封装确认，既定合理事实。在此系统中，时间的意义在于证实所发生的事务，故称本算法为时间证明算法。
目前POW，POS，DPOS共识算法都不是完备的。当资源失衡时区块链不可篡改的特性会消失，且资源主导的区块链存在浪费能源的问题。TC共识算法依靠强的共识数据模型来实现区块链不可篡改的特性，是完备的共识算法。
编者按
TC共识算法受启发量子物理学，从TC系统又反推了一下物理，于是关于这个宇宙有了一些未被证实的推测和猜想。第一个猜想：量子鬼魅般的超距现象反而恰恰说明了这个世界是“连”在一起的；时间只是达成某些目的走的“弯路”——相对论的光速不变。基于光速不变，于是物质的特性被确定，世界是变成现在的样子，时间是这个世界是联系在一起的体现。
如果你能在足够短的时间完成足够多的心愿，时间对于你来说是不是永恒？TC区块链系统的目的是记录不可篡改的历史，在TC系统中需要共同的执行频率来获得一致的确认区块，理想上这个频率可以无限高，意为着时间可以不存在。此番推论与量子超距现象有令人吃惊的相似性，我们研究超距现象得出超距现象可以没有时间参与，瞬间达成，然而仅止步于研究超距现象，除此之外从这个系统中获取不到任何其他物理信息（量子特性的原理存在巨大真空，人们不将唯心和维物思想中和一下，很难明白量子物理的本质）。TC系统中困于需要一个共同的坐标系来实现一个可以追溯推导的数据矩阵，因此我需要共同的时间尺度来作为索引，按照时间线从已确认的数据中推导下一个确认点，具体推导请看TC共识算法原理章节。
关键词：共识算法，区块链，时间证明算法，time certificate，共识矩阵
第1章 引言
“共识”是一个充满哲学意义的词语，从以物换物到货币时代，封建社会到现代社会等无一不因共识而运作。共识的健壮性，先进性决定了这个系统的运作的效率。区块链的共识算法是围绕着社群系统中的公共账单数据不可被篡改，可以追溯这个中心点建立的。共识算法是否优秀关注以下几点：基于什么样的条件区块链的特性不会被推翻，每秒钟可以处理多少笔交易，能不能实现即时交易。
实现了区块链的数据不可篡改，可追溯的特性便可以基于此开发区块链上层应用，比如智能合约虚拟机、文件鉴权、去中心化DNS、结算系统、税务系统……
再深入发散一下区块链社群系统的概念，社群系统即参与者是一个思维独立的个体，依靠约定达成目标的系统。假设人类开发出了一个像月亮一样大的“光盘”，这个光盘开放存储、并且数据不可以修改、人们将公开的账本数据记录在上面、任何人可以参与记账，由此实现了一个人人参与、数据可追溯、不可篡改的完全可靠区块链系统。因为没有这样一个“光盘”，所以区块链社群系统只能通过共识机制才能达成记账去中心化、数据可追溯、不可被篡改的特性。然而当下大部分区块链系统都不是完备的，如基于POW、DPOW、DPOS、权威证明等共识算法研发的区块链系统都是基于限定条件下达成的数据一致性，当攻击者在持有一定量的资源后便可以发起”双重支付攻击“来打破区块链系统数据不可被篡改的属性。这些限定条件有如单个节点的算力不能大于全网百分之51（实际情况是持有比特币网络百分之20的算力便可以成功发起双重支付攻击），诚实参与者不能少于总数的百分之50等等。实际情况更悲观，因算力资源趋于资本中心化，资本雄厚的攻击者可以轻易颠覆系统。因此可以得出结论，发动共识攻击者的成本远远小于理论值。这是制约区块链技术发展的主要原因之一，系统不具有区块链概念的完备性。且资源导向型的区块链系统，拼的是算力，是一种浪费资源的行为，不被国家认可。
TC共识算法通过证明此时间段发生的交易是真实有效的方式来生成区块，以价值驱动算力，不耗费能源，是新一代区块链技术的核心。
**第2章 TC共识算法原理
合理事实证明即是使用非对称式加密算法确定此钱包是否是支付人的钱包且余额是否充足。以下内容介绍合理事实的证明流程及使用的关键算法，最后描述了如何实现促成既时交易的补偿算法和搭建节点的激励方法。
2.1合理事实证明流程
下面流程围绕着如何实现一个共同的历史，而账单有没有超支是历史的客观展现，不做赘述。关键点在于如何通过社群随机选举算法推导确认节点，以时间线构成不可以推倒的共识矩阵数据。
证明流程:
1、从历史确认区块中使用社群随机选举算法选出公证节点。
2、公证节点打包待确认账单集合进行封包确认。
3、普通节点同步历史数据。
矩阵数据结构：
由所有节点共同承认的历史数据输入，获得所有节点共同承认的确认节点，由确认节点再封装新数据变为历史。
图 2-1 矩阵数据结构
双花处理机制：
公证节点仅关心确认历史，双花超支问题是由社群共识规则基于历史数据处理的，处理方式为根据两个票据时间戳和节点确认数两个因素排序，将最后一笔订单判定为支付失败的账单，直至用户钱包余额不为负数。
既定事实处理机制：
区块波动产生的公证节点是从矩阵中推导出的，假设某一个节点不认可某历史数据，意味着推翻所有的节点数据，即是声明本区块网络中的其他节点不存在，这种声明是无效的、不真实、孤立的。
图 2-2 过程推导
公证节点的目的是为了使网络中节点的数据得到聚拢确认，打包为历史，随机的目的是为了提升系统的稳健性，假设选定的公证节点挂了如何使系统继续下去？下面提供了一个提高网络稳定、容错率的解决方案。
提高网络稳定、容错率的解决方案：
每一次网络波动选定多个公证节点为一个集合，这是一个固定的区间。公证节点互通历史样本，随机投票，不管历史样本最终状态是否一致，以票数最多的为最终历史。如果选定的公证节点集合为选举样本中所有节点，那么网络的稳定性可以达到百分百。
不考虑极端情况哪敢说TC共识算法是完备的。假设这个历史时刻选定的公证节点都挂了，那么如何让网络继续下去？活着的节点需要等待下一次网络波动去历史中找“活过来”的历史公证节点要未公证历史签名，假设未公证的历史节点“死透了”（经过多次网络波动未回馈信息），社群便创建新矩阵开辟“新纪元”。
在实际系统中研发过程中，我们需要在现实和理想中选择一个平衡点，让极端情况发生的概率足够小便可以。所以考虑到网络成本每次网络波动选定的公证节点的集合要很小，假设网络中有上百亿个节点，我们不可能要上百亿个节点互通后才选定历史，我们可以根据算力证明选定10个节点或更少的节点来作为确认历史集合，我们假设这10个节点会挂掉，挂掉后我们会在下一次网络波动中更改数组下标来重选公证节点，这些假定重选的公证节点可以作为那10个节点网络能力的验证节点，假设共同认定历史节点未公证历史且不反馈，便可以发起举证机制，开辟新纪元。
图 2-3 公证节点
2.1.1 社群随机选举算法
社群随机选举的最终一致性在于有统一的选举样本和统一的随机数。即假设每一个节点上有相同的节点数组y[n]，相同的随机数x,则选举结果是y[x],x<n。
实现统一的选举样本基于历史确认区块中的节点信息。
实现统一的随机数的原理是借助相同的随机因子，有多种方式：可以借助第三方随机因子比如彩票结果；也可以借助上一次区块确认完成的时间作为随机因子。
2.2 区块波动频率限制（f/t）限制交易速度吗？
波动频率的设定是非常必要的，账单和节点信息构成的矩阵数据是以时间线贯穿的，执行社群随机算法选定公证节点，需要共同的时间点。理论上执行的时间间隔越短区块确认的速度越快，然而这个时间的设定需要考量硬件系统的负载能力，这仍然是一个大课题，然而这属于系统设计的范畴，故本论文不详细说明。
假设基于本算法构成的区块链系统用于支付业务，那即时支付是无法避免的，没有人愿意在购物时要花上一定的时间来等待支付完成，为了促成即时交易故在时间证明共识算法里引入了一个补偿算法——担保交易算法
2.3 担保交易算法促成即时交易
天下熙攘无利不往，用户可以支付手续费获取即时交易服务。担保节点存在的目的就是促成即时交易，让用户免于等待区块波动时间，为了获得这个能力担保节点需要向网络质押资产，直至担保的交易经过网络波动确认后，质押解除。
担保流程：
用户提交一个交易单到节点，节点基于确认的历史区块，判断用户是否双花超支，没有超支便为其交易担保，以达到即时交易。假设黑客进行双花攻击，用户会提交2笔以上的交易至多个节点，交易总和大于真实余额，节点为了在确认区块之前避免自己担保的交易被判定为非法以至自身承担担保风险，所以一个有效的风险规避策略是非常必要的。
图 2-3-1 担保流程
担保风险：
假设用户担保的某一笔交易在区块波动以后被认定是非法超支的，那么将由担保节点质押的资产填平。
风险规避策略：
风险规避策略的中心点就是与尽可能多的节点分担风险，因为公证节点是新确认区块的数据中心点，所以同步公证节点的数据便可以在封包确认数据之前判定用户的订单有没有超支来决定接受不接受担保委托。一笔交易被更多的节点担保，意味着打包进确认区块的可能性越大。担保节点可以设置可承受的风险值（赔付多少），风险值设定的越高也意味的收益越高，但意味着其他节点将无法获得奖励而导致共同担保的节点数变少，如果发生即是交易双花攻击抵抗能力变弱。
风险计算公式：
节点数node number（n），交易进场担保比例guarantee rate（g），风险值risk（r，最高100%，最低0）
r = 1 / g / n
2.4 节点部署激励模式
天下熙攘，无利不往。
2.4.1 比特币矿山模式
除了担保节点促成交易获取的手续费外，针对普通节点也是需要激励的，毕竟天下熙攘无利不往。比特币矿山模式的概念就是网络定量释放，按算力给节点分红。所有个体的资产自无产生。
2.4.2 数字化资产证券模式
数字化资产的概念是将不动产变为数字证券，数字证券可以一比一与发行单位兑换。此时区块链系统初始化后的资产都在发行方。发行方为了激励用户参与节点的搭建采用脱离系统的承诺来兑现奖励。此类模式不仅适用于公链搭建也适用于私链搭建。
参考文献
区块链技术的现状与趋势探析[J].狄刚. 金融电子化. 2018(09)
团队
潘桢：毕业于中国石油大学 计算机与科学系，资深区块链研发工程师，6年区块链研发经验。联系邮箱：1339042328@qq.com
熊岭：毕业于北方民族大学，以太坊资深开发工程师。联系邮箱：1574672801@qq.com
公司：杭州宝基智能科技有限公司
指导老师：