PPIO 的状态通道设计

by Wayne Wong

PPIO 是为开发者打造的去中心化存储与分发平台，让数据更便宜、更高速、更隐私。

PPIO 的定位不仅仅是做存储，还有数据分发和数据传输。在数据传输的时候，如何保证数据传输的流量也采用一种公正的，不可抵赖的方式来实现的。这就是我这篇文章要讲解的状态通道。PPIO 就是通过状态通道的机制来实现数据传输的公正计量。

传统意义的状态通道机制

状态通道在区块链领域是个已经存在的名字，主要应用于高频交易和微支付。因为在这两个场景下，交易吞吐量会非常大， 如果所有的操作都是在需要共识的去中心化的链上操作，性能低会成为重要问题。状态通道的解决思路，本质是在交易高吞吐量和验证者的去中心化之间做一个平衡。具体来说，就是把两两交易的细节，放在链下去协商完成，当多步交易完成后，或者交易发生争议，再通过区块链来进行“仲裁”。为了说明状态通过，我们先做个假设，两个人 Alice 和 Bob，后面也可能简称 A 和 B。假设 Alice 在一开始的资产是10，Bob在一开始的资产也是10，他们之间即将发生一系列高频的微支付。我们开始模拟这个状态通道。

图: Alice 和 Bob 使用状态通道交易的示意图

整个过程大概分为以下几步：

  1. Alice 或者 Bob 创建于一个状态通道智能合约 Contract，后面会简称 C，此时状态通道处于 opening。这个过程是要上链的。
  2. Alice 将10个资产打入到合约中，接着 Bob 也将10个资产打入到合约之中，此时状态通道就算是开启，进入 open 状态。这个过程中也是要上链的。这时候的分配方案是【A:10, B:10】。（分配方式是指交易双方都能够在链下都认可的资产分配方式，总量是一样的的，要么 A 多，要么 B 多，如果这个时候合约终止，就会按照分配方案的资产打回到各自的账户上）
  3. 此后，由于 A 和 B 之间的状态通道处于 Open 的状态，A和B之间可以开始交易。如果 A 向 B 转了1个资产，则分配方案为【A:9; B:11;N:1】，这时 B 拿到了 A 对分配状态的签名；而接着 B 又向 A 转了3个资产，这时的分配方案变为【A:12; B:8; N:2】，这时 A 拿到了 B 对分配状态。这里 N 表示 Nonce。每次链下双方按照约定改变资产分配，则双方都要自增一次 Nonce 值。诚实的交易者都会以 Nonce 最大的分配方案作为当前的分配方案，而 Nonce 值较小的分配方案都是失效的方案，可以随时抛弃。
  4. 状态提交，在交易的过程中，交易双方，Ａ 或者 Ｂ都可以随时向智能合约 Ｃ 发起状态提交，如果 Ａ 发起了状态提交，Ｃ 会验证 Ｂ 的签名；反之如果 Ｂ 发起了状态的提交，Ｃ 会验证 Ａ 的签名，同时也会验证 Nonce 值。智能合约 C 只接收比上次链上分配的 nonce 值更大的方案，如果新提交的分配方案的 Nonce 和签名都合法，则 C 接收新的分配方案，并更新合约中的 Nonce 值为新分配方案的 Nonce 值。双方持续交易，... … 直到最后的分配方案，假设是【A:1; B: 19; N:50】，下面称为最终状态。假设该方案已被提交到智能合约 C，且被智能合约所接受。
  5. 关闭状态通道请求，这时候可由任一方发起关闭状态通道，即按照合约中的链上分配方案进行分配。一旦合约 C 接收到关闭通道的请求，合约会进入 Closing 状态并维持一定的有效期，在该状态下且在有效期内，另一方依然可以提交新的有效的分配方案来将状态通道置回 Open 状态。如果在有效期内另一方未能将状态通道置回 Open 状态，则状态通道会在有效期过后，进入 Closed 状态。比如，在这个案例中，B 是受益方，一般来说，是由 B 在这时候发起关闭状态通道请求，然后状态通道进入 Closing 状态，并在一定有效期后按照链上最后的有效分配方案【A:1; B: 19; N:50】进行分配。此时，若B是一个作恶者，虽然现在链上的分配方案为【A:1; B: 19; N:50】，但其实链下最新的分配方案已是【A:4; B: 16; N:55】，但 B 尝试用老的分配方案来分配资产，使自己获益增大。此时由于合约在 Closing 状态，只要A及时发现 B 的链上关闭通道请求的交易，则 A 可以立刻将更新的分配方案【A:4; B: 16; N:55】提交到合约，从而使得合约被置回到 Open 状态，防止 B 的恶意提款。之后 A 如果想关闭合约，则可重新向合约发起关闭状态通道的请求。之后只要 B 无法再给出比 N:55 更新的分配方案，那么状态通道最终将在有效期过后，进入 Close 状态。（注：具体实现时也可以将”状态提交”和“关闭状态通道请求”合并成一步）
  6. 最终资产分配：当合约 C 进入 Closed 状态后，任何一方都可以触发最终的资产分配，即按照链上已确定的最后有效的分配方案进行实际的资产分配。

回顾整个过程，需要写入区块链的步骤，只是和链上智能合约 C 相关的部分，分别是开始创建的时候和分配方案的提交以及最终状态的提交。其余都是在链下操作，所以在状态通道的设计中，项目一般设计为 只向区块链智能合约 C 提交一次，从而做到最高的性能。

PPIO 的状态通道机制的设计

PPIO 支持三个核心模块

  • POSS 是 P2P Object Storage Service，对标 AWS 的 S3 存储。
  • PCDN 是 P2P Content Delivery Network，对标传统的 CDN，就像 AWS 的CloudFront。
  • PRoute，是基于 P2P 的自适应网络智能路由，做到两个节点之间，以最合理路径到达，从而速度最快，延迟最低 。这是协议层的实现，在 AWS 中没有对标的产品。

其中除去 POSS 模块外，PCDN 和 PRoute 都是更多激励带宽的贡献，其网络数据的传递非常频繁且实时。如果每个 Piece 的传输，都要写入区块链，这将是非常大的浪费 。其实，网络数据高速传输激励，本质上是高频交易和微支付，所以在设计 PPIO 的时候，我们借鉴了传统的传统的状态通道机制，来实现带宽的激励。

  1. U 创建了区块链上的智能合约 Contract（后面简称C）。然后 U 往 C 中转入资产，假设转入了10个资产。由于 PPIO 设计的是单向通道，只有 U 转入资产后，即可进入Open 状态，其分配方案是【U:10; M:0】
  2. 开始进行数据传输，U 向 M 请求数据，M 向 U 返回正确的数据后，U 会给予 M 一个 Voucher，即带有 U 签名的新的状态分配方案。由于网络传输的实时性要求非常高，M 需要先给数据，再拿 Voucher。此时分配方案逐步变成 了【U:9; M:1】。
  3. 继续传输数据，状态通道的分配方案，U 的资产越来越少，M 的资产越来越多。直到U 把之前存入状态通道的资产用完，即【U:0; M:10】；
  4. 最终状态提交：此时 M 用最新的 Voucher 去区块链上的智能合约用 Voucher 去提款。C 在验证 Voucher 中有 U 的正确签名后，接受了 Ｍ 的提款。之后状态通道关闭，标记为 Close 状态，之后该状态通道不能再进行交易。
  5. 之后 U 在 M 请求数据，由于资产已经用完，M 将不再提供服务。除非 U 创建新的状态通道合约 C1，再转一定的资产进去，才能再次向 M 请求数据。

图：PPIO 的数据传输状态通道设计

这就是 PPIO 整个状态通道的过程。下面我们做一下简单的攻防分析。

  1. 假设 User 作恶，作恶方式为 U 向 M 请求到了数据之后，不给 Voucher。处于网络性能的考虑，PPIO 的设计是 M 先给一定的数据，再要 Voucher。如果 U 不给 Voucher，M 给予一定量的数据发现收不到 Voucher，于是将不再对该 User 给予更多的数据了，并且标记为 U 为恶意用户，已经给予的部分数据作为自己有限的损失。
  2. 假设 Miner 作恶，作恶方式是给予 User 错误的数据。User 收到一定量的数据后，就会发现数据异常，于是不给予 Voucher，并向区块链智能合约 C 发起关闭状态通道，并标记该 Miner 为恶意矿工。如果网络中存在 Verifier，U 还可以向 Verifier 举报 M，之后 Verfier 会对 M 重点验证，分析 M 是否还存在其他作恶。

图：如果 User 发现 Miner 作恶的状态通道示意图

采用状态通道的方式，在交易双方存在作恶的情况下，可能存在一方有些轻微损失。但不影响整体的设计，因此，PPIO 中的带宽激励是不需要 Miner 做任何抵押的，这点和存储场景不太一样。

  1. 存储场景具有长时性，使得 Miner 抵押成为必要。一次存储少则几天，多则数月，甚至几年，如果在存储期间 Miner 作恶，User 可能面临文件的风险，后果很严重，因此在存储场景下，通过要求 Miner 抵押这一经济手段还迫使 Miner 诚实可靠的为 User 提供存储服务是必要的；
  2. 存储数据具有确定性，使得验证存储的持久性变的可行。确定性的数据可用 Merkle树来组织，然后利用叶子节点到 Merkle 根的路径作为数据持有证明，而这种证明的验证，利用智能合约或者可信的第三方就可以完成。

而带宽则不同，带宽具有瞬时性和不确定性。带宽传输相对于存储来说，交易时间很短，且传输什么数据在传输前一般都不可知。这两点导致了 User 很难在数学层面上限制 Miner 只传输正确的数据，也就很难通过证明来约束 Miner 使得 Miner 不作恶。一旦 Miner 作恶，可信的第三方或者智能合约也无法准确的判断出到底是 Miner 真的作恶，还是 User 在陷害 Miner，因此即使 Miner 做了抵押，可信的第三方或者智能合约也不知在纠纷出现时如何处置该抵押。所以解决带宽场景的思路和存储场景不一样，带宽场景的思路是利用状态通道实现“小步快跑”：每次都只做很小的交易，如果发现对方作恶，则立刻停止交易，转而寻找新的交易者。这样即使对方作恶，己方损失也不是很大。讲到这里，只是讲解了 PPIO 里面应用状态通道的基本原理，在 PPIO 的一些场景设计中，状态通道还有更复杂的用法，但基本原理是不变的。

Owner 角色的引入

PPIO 在设计的时候，我们还设计了一个 Owner 的角色，Owner 不是一个 P2P 传输角色，而是一个支付和结算角色。在 PCDN 架构中，每个 Peer 都需要指定一个 Owner。这个 Peer 产生的花费由它的 Owner 来承担，而同样该 Peer 赚取的收入也由它的 Owner 来接收。如下图，同一个 Owner 可以对接多个 Peer。

图：Owner 和 Peer 的关系图

这个角色可以简单理解为，在需求端就是开发者，在供给端就是矿池；它本质就是 CoinPool，（代理支付网关，详情可以参考文章《为什么 PPIO 要设计代理支付网关》）。由状态通道升级后的数据分发合约如下图所示

图：PCDN 下最简单的下载流程图

关于引入 Owner 角色的分发智能合约的描述，可以见文章《让智能合约在数据分发中更智能？PPIO 的设计小巧思》。但其中 Peer 和 Peer，Peer 和 Miner 之间的通信本质上还是走得状态通道的机制。

这是最基本的 PPIO 状态通道逻辑，另外在具体应用场景中，如 PCDN 和 PRoute，还有更多的考虑。关于状态通道在 PCDN 场景下应用，具体可见文章《让智能合约在数据分发中更智能？PPIO 的设计小巧思》。另外，我后面还会介绍，PPIO 在具体场景中更深入的实现，请大家敬请期待。效率提升与价值落地一直以来都是 PPIO 实现技术不断创新进步的标尺。

这一期文章，我们分享了如何基于传统的状态通道机制，完成了 PPIO 的状态通道机制的设计 ，从而实现数据传输的公正计量。我们又通过一个实际案例，分析了基于这样的设计， User 和 Miner 的两个角色如何进行有效的数据传输，避免双方作恶带来的不必要的损失。同时也解释了，PPIO 中的带宽激励是不需要 Miner 做任何抵押的，这一点和存储场景有本质区别。不知看到这里，是否让您对的 PPIO 的技术工程实现有了更深入的了解呢？如果您想更进一步的和我们一起学习探索，就快来关注 PPIO 公众号，加入 PPIO 开发者社区或 Discord 群组，和我们一起创造精彩。