Arweave：一場永久存儲的實驗

原文：Arweave: The Permanent Storage Experiment by Delphi Digital

Arweave 巧妙組合了多種新穎區塊鏈技術，給出了一個令人心動的承諾：一次付費，終身可用。

幾句話看懂 Arweave：

優點：

• Arweave 是一個試圖以去中心化、抗審查的方式實現永久數據存儲的協議/網絡。

• 內置一種創新的經濟模式——「捐贈池」（endowment pool）——以支持長期可持續發展。

• 因為永久存儲和數據托管特性，Arweave 對 NFT 和 Web3 應用有更強的吸引力。

• 存儲價格以 AR 計價，但 Arweave 有一個無需依賴預言機的、精心設計的定價機制對抗價格波動。

• 基於上述種種，Arweave 擁有更闊的應用場景如數據溯源、數據可用性、存在證明等。

缺點：

• “永久”意味着一段很長的時間。如果用戶今天支付了比其他解決方案更高的價格是因為他們提前支付了未來的存儲成本、且這些數據在未來幾十年都可用，這樣才有意義。

• 隨着 Arweave 的普及，它存儲的數據量將呈指數級增長（現在已經達到了 8.5 TB）。盡管 Arweave 已經盡可能做出了努力（如全節點不需要同步整條鏈的數據），但礦工的集中化仍然是一個問題。

• 「犧牲型挖礦」（Sacrifice Mining）可能會成一種新的基於剝削的收益方式。這裏的風險在於，礦工為了提高自身獲得區塊獎勵的機率而上傳無效數據到 Arweave 以擴大整個網絡的數據規模。

• 盡管有捐贈池機制（endowment pool），考慮到 Arweave 極長的項目生命周期，Arweave 可能需要再斟酌一下長期激勵的可持續性。

• 永久存儲的故事需要多個同時存在的復雜技術的高度配合。由於 Arweave 的解決方案仍處於起步階段，不排除未來會不斷有新技術湧現從而對 Arweave 造成威脅。作為這一領域的先驅，Arweave 必須意識到這個問題，並做好應對。

一場永久存儲實驗

Arweave 是一個令人興奮的項目，其目標是讓用戶僅支付一次就能將其數據永久存儲在 Arweave 上（至少 200 年）。現今的互聯網，雖然數據呈指數級增長，但往往有舊數據丟失或被盜事件發生。這是因為目前幾乎所有數據都是中心化地存儲的，而這些數據托管者的動機也許與希望訪問自有數據的用戶不一致。在數字時代，永久存儲將是一種未來視角下非常新穎的價值主張。從更恆遠的視角來看，數據永久性將以一種人人可訪問但無人可編輯的方式保存歷史真相。人類的歷史將不再是勝利者的歷史，每個人都能永遠保存自己的數據。

Arweave 上的信息由去中心化且可持續的激勵設計來保證其可持續性。利用 PoW 的恆定特性，Arweave 實現了可擴展的和永久數據存儲。它雄心勃勃地設計了能夠承載比當今網絡更大規模的數據容納量。不過，當前的區塊鏈並不適合存儲大量數據。數據越多，全節點的同步成本越高，這必然有悖於去中心化和可拓展性。那么 Arweave 怎樣保證這一點呢？我們先從一個小例子聊起。

PoW 鏈需要全節點同步所有區塊以驗證整個鏈的合法性。隨着時間的推移，一條鏈上的區塊會越來越多，鏈的數據規模會越來越大，需要佔用更多的資源來維持整個鏈。這通常被稱為狀態通脹（state bloat）。因此，這一定程度上限制了全節點的數量，還降低了去中心化程度和訪問性能。

這個關系如下圖所示。

https://codaprotocol.com/blog/solving-the-scalability-trilemma

許多區塊鏈狀態增長往往是被限制的，以平衡其維護成本，如在比特幣上區塊大小和時間是強制线性增長的。然而，在 Arweave 的 case 中，我們看到了截然不同的增長軌跡。下面是兩種數據結構的比較。Arweave 上的狀態數據已經比特幣網絡的 25 倍，但整個鏈仍然可以存儲在市面上常見的筆記本電腦上。

Arweave 的可擴展性可以由 Blockweave、Wildfire、Blockshadows 和 SPoRA 等多種技術解決，且這些技術可以共存。如果這聽起來像胡言亂語，別擔心。在本文中，我們會從頂層設計出發講述他們，而不是逐個喫透。

Blockweave（簡稱 Weave）是與 Arweave 類似的區塊鏈數據結構。它與傳統的區塊鏈不同，Blockweave 不需每個節點同步整個鏈。無論 Weave 的網絡有多大，礦工們僅需下載部分區塊就可以立即开始挖礦。這降低了達成共識的門檻，但新的問題是，如何保證網絡账本不會因為礦工作惡產生分叉？

基於 Weave 的技術，每個區塊將通過密碼學算法從前序區塊中隨機選擇區塊驗證數據（recall chunk）。這意味着隨機被選中的歷史數據將參與新區塊的產生。在這種機制下，為了獲得出塊獎勵，礦工不僅要贏得 PoW 哈希率競賽，而且還要保證歷史數據的隨時可用。新的挖礦遊戲是這樣的：

Probability （win reward） = Probability （has old data）  x  Probability （finds hash first）

贏得區塊獎勵的概率 = 擁有歷史數據的概率 x 第一個找到 hash 的概率

因為存儲成本比算力成本低，所以礦工們自然會在優化算力硬件之前優化他存儲硬件，這間接導致整個網絡偏向存儲而非計算。在未來，如果 weave 變得很龐大（這畢竟是他們的初衷）、無法由任何單一礦工維護，那么其他礦工將主動尋找還沒有被復制得很廣泛的“稀有”塊，從而有效地使用它們的算力。這種激勵機制正是 Arweave 的核心，這確保了無論 Weave 網絡變得多么龐大，每一個區塊的數據都會被某個礦工保存到某處。因此，從本質上來說，礦工不需要根據 Weave 網絡的規模來擴展他們的存儲設備，因為他們可以只存儲整個網絡的一部分。

這種機制被稱為“訪問證明”（Proof of Access，“PoA”，不是 Proof of Authority 的 PoA）。PoA 的確可以確保礦工存儲了網絡數據，但礦工也可以使用遠程服務器以降低成本，而服務器都是中心化的，這不可避免地有悖於去中心化理念。團隊承認了這一點，並隨後將共識升級成了「SPoRA」（Succinct Proofs of Random Access，隨機訪問的簡潔證明）。SPoRA 通過加強數據檢索速度在區塊獎勵中的權重來遏制礦工使用諸如 AWS、谷歌雲等雲服務器存儲數據，如此一來，使用本地硬件參與網絡的礦工將獲得更高的激勵。簡言之，SPoRA 的出臺不是為了防止礦工的集中，而是為了防止存儲資源的集中。目前市場對 SPoRA 的看法是積極的，且網絡資源已經自 2021 年 2 月起已經切實有了改變。話雖如此，SPoRA 的安全性和涉及更大規模數據時的同步效率還有待考證。

SPoRA 是首個鼓勵存儲資源去中心化的礦業實驗之一。相比縱容中心化存儲的對手，這就是創新。

永久存儲的經濟設計實驗

除了網絡共識和數據存儲，Arweave 的通證經濟對於整個網絡能否（在理想情況下）長期自主運作至關重要。Arweave 採用了一種新的商業模式，用戶只需付費一次就可以將其數據永久存儲在 Arweave 上。Arweave 經濟的基礎設計很棘手，因為:

1. 用戶以法幣購买網絡資源，而網絡內的價值則以 AR 捕獲。

2. 與其他鏈不同，礦工體驗問題從未很快得到解決。事實上，這些問題從未得到解決。

鑑於上述原因，Arweave 網絡必須確保礦工有足夠的盈利空間。如果利潤空間變薄、導致礦工。為了一個健康的網絡，必須很好地預估成本、平衡礦工收益。

存儲成本

Arweave 的一次性付費模式是基於整個網絡不斷降低的存儲成本的。根據已有資料，全球網絡的數據存儲成本正在隨着時間的推移顯著下降。如下圖所示，近 50 年來，數據存儲成本正以年均 30.57% 的速度降低。

https://www.arweave.org/yellow-paper.pdf

更重要的是，由於存儲技術仍遠未達到理論上限的技術瓶頸，這種逐年下降的趨勢仍將延續。如果我們把 Arweave 網絡的所有成本無窮相加，這種可以預見的成本下降意味着永久存儲的成本邊際是可以預見的。下面，我將用最簡單的方式講解 Arweave 如何計算永久存儲的成本。

首先，Arweave 基於市面上不同容量和規格的硬盤價格預估了在硬盤上存儲 1GB 數據 1 小時的價格。接下來，它根據這個初始價格，保守估計了未來的存儲成本，即，假設存儲成本的年平均降幅為 0.5% 而不是 30.57%，再將所有未來成本加起來，Arweave 就可以得出未來成本的邊界，這便是假定的礦工永久存儲成本。這個成本構成了所有用戶端費用的基礎。上述成本將隨着市場價格定期重新計算。

礦工收入方式

礦工們在 Arweave 中有兩個收入來源:

1. 網絡手續費

2. 區塊獎勵

區塊獎勵遵循算法設計呈下降趨勢，不受外部因素的影響。手續費主要來源於用戶的一次性付費，每一筆用戶付費中至多有 14% 會直接分給礦工，並加入流通量。

另一部分（~86%）將進入捐贈池（endowment pool ），以支持 Arweave 上的數據運維。當礦工無法覆蓋其挖礦成本時，捐贈池就會發放補貼給礦工。不然捐贈池內的資金只會無限積累，以備不時之需。因此，捐贈池中的通證是長時間不流通的。目前，捐贈池中約有 50 萬美元的 AR。隨着捐贈池中 AR 的積累，捐贈池補貼可能會超過區塊獎勵。這個通證經濟實驗如下圖所示：

永久存儲實驗的目的是確保鏈上數據總是有足夠的備份從而避免有數據丟失。而想要實現這一點就要讓礦工有足夠利潤。如圖所示，礦工利潤漏鬥一定不能為空。

需要注意的是，上圖的比例並不能准確反映手續費的分紅。目前，交易費用收入只佔礦工總收入很小的一部分（<0.1%）。同樣，捐贈池中積累的費用也小於流通量的 0.1%。

抗波動機制

當 AR 價格上漲 10 倍時，如何避免存儲成本增加 10 倍？反之，當 AR 價格下降時，Arweave 該如何激勵礦工？

為了解決上述問題，Arweave 設計了一個以 AR/MB 為單位動態存儲價格調整模型。該模型使用挖礦難度而非預言機價格作為價格調整依據。原理如下：

  當 AR 價格下降時，礦工利潤空間變薄，礦工可能會離开網絡。此時，Arweave 會使一定程度上降低哈希率和挖礦難度，間接增加礦工收益；

  反之，當 AR 價格上升時，礦工變多，Arweave 就會增加哈希率和挖礦難度，間接降低礦工收益。

比起單純地依賴預言機，這個模型通過調整挖礦難度和礦工收益抵消價格波動，從而實現了對法幣穩定性。如果 AR 下跌，該模型將增加 AR/MB 的一次性付費價格；反之亦然。這一機制雖然無法阻止 AR 價格的波動，但長期來說是優秀的抗波動機制。

如下圖所示：

用戶引導

Arweave 上的大多數數據交互都發生在應用層，也就是「永久互聯網」（permaweb）。顧名思義，永久互聯網是普通互聯網的永久版本。目前，永久互聯網上已經運行着數百個網站和應用程序。用戶不需要區塊瀏覽器，僅僅使用傳統瀏覽器就可訪問這些網站和應用。然而，用戶數據的每次寫入（上傳 Dapp、文件、URL 等等）需要使用 Arweave 錢包支付手續費。好在新用戶可以在創建錢包後轉發一個 Arweave 推特完成驗證，從而獲得 Arweave 水龍頭免費發放的初始 AR。

作為 Arweave 應用平臺，Permaweb 對於开發者構建頂層應用有一定原生優勢，如永久數據存儲、數據可用性、數據完整性、數據合法性、抗審查性、可訪問性、防篡改性。這為 Arweave 吸引各種各樣的應用和用戶打好了基礎，如 DeFi、研究者、律師、記者、政府機構等。

如今，permaweb 托管着數百個集成了這些優良特性的一個或多個的 DApps。以下是其中的佼佼者:

• ArDrive – 永久存儲的去中心化百度雲

• Weave mail – 永久存儲郵箱軟件

• Verto.exchange – 為利益共享型通證而生的去中心化交易所

• Koi.rocks – 看展可以獲得獎勵的虛擬NFT畫廊

• Pianity – 音樂 NFT 平臺

此外，Permaweb 上的應用大多使用主流編程語言如 HTML、JavaScript 和 CSS 來實現，無需开發者重新學習區塊鏈編程語言。

利益共享社區

利益共享社區（Profit Sharing Communities）是 Arweave 推出的一種旨在激活开發者社區活力的新型社區模式。在這種社區中，开發者和創始人們可以通過 PST（Profit Sharing Tokens ）實現新的變現方式。开發者可以選擇是否在自己的應用中添加利益共享機制，添加之後，用戶在這個應用上的每次 tx 消耗都將轉化為 AR 小費。AR 小費積攢到一定數量，就會按 PST 持有比例分給所有持有者。PST 可以在交易所买賣。

利益共享計劃已經在 permaweb 上孵化了上百個項目並極大促進了全球开發者對 Arweave 的需求，這無疑也是長期有利於整個存儲網絡成長的。

犧牲型挖礦

Arweave 網絡的一個重要增長來源於「犧牲型挖礦」（Sacrifice Mining）。促成這個行為的需求不僅源於數據提供方，同時也源於數據需求方。在理解犧牲型挖礦之前，我們先回顧一下礦工是如何獲得獎勵的。正如前文所說，礦工需要盡可能增加他們的存儲空間和算力來增加他們贏得區塊獎勵的機會。而當一個礦工存儲的數據備份相對稀有的時候，他還可以在這份競爭中獲得加權。

最近，Arweave 團隊發現礦工中存在一種作弊行為，即礦工僅上傳數據而不與其他礦工分享這份數據。這樣做可以利用數據稀有性提高他們獲取區塊獎勵的概率。誠然，他們需要“犧牲”（花費）一部分 AR 去上傳這份數據。這便是“犧牲型挖礦”一名的由來。不過，這些數據並不具備生產性，只是單純地擴大網絡規模。礦工的收益依賴許多因素，但最主要的因素顯然是 AR 的價格。所以，Arweave 很難對這種行為一刀切，但同時也不希望礦工們僅僅為了自己的利益就用垃圾數據無謂擴大網絡規模。

重要的是，blockweave 的機制不允許任何礦工長期囤積數據。每個新區塊產生的時候，礦工都必須分享他們藏着掖着的數據。在一群人看來，這意味着犧牲型挖礦的潛在回報是短暫的；但在另一群人看來，這也意味着礦工可以繼續給網絡塞垃圾數據，只不過只能藏一小段時間，但仍然有獲利的可能。理論上，礦工很有可能會繼續這樣做，直到概率調整後區塊獎勵的邊際收益低於上傳垃圾數據的費用。這可能需要很長時間，Arweave 也不得不繼續接受垃圾數據；而此行為對於擡升 AR 的價格毫無意義，因為礦工可以用自己賺取的 AR 來做這件事。在我們看來，“犧牲型挖礦”這個名字仍然過於縱容這件本質不過是礦工內卷的事。

Arweave 與 NFT

盡管 NFT 存在於鏈上，但它們通常承載着“鏈下資產（如數字藝術品、音頻/視頻文件、GIF、活動門票等）”的價值，因為想把這些文件完整存儲上鏈的成本非常高昂。@RealAllenHena 一條推文清楚地說明了當前主流 NFT 平臺的存儲解決方案。由此可見，目前主流方案仍然是通過 IPFS 或圖牀 URL 鏈接在通證和資產之間建立聯系的。

盡管 IPFS 的確是一種較為流行的分布式存儲解決方案，且具有一定抗審查性，但 IPFS 並不能保證其數據的永久性。各個保存文件的關鍵節點並沒有必要的理由來永久保存這份文件。因此，無論是在中心化服務器上、還是在 IPFS 上，數據資產的存儲時間都依賴於托管者的善良。在 IPFS 上，如果附近無節點響應，你可能連接不上、或永遠丟失這份文件；而如果托付給圖牀，一旦無人運維，URL 鏈接也可能會失效。

此外，在 IPFS 上搜索內容可能需要數分鐘。這對於某些 NFT 產品的使用體驗來說不太理想。Mintbase 是最早在 Arweave 上存儲 NFT 元數據的平臺之一。基於 Arweave 的優良特性，Arweave 可能會吸引越來越多的 NFT 平臺、藝術家和相關开發者入駐。

加密行業的脊梁

正有越來越多的項目正在使用 Arweave 存儲加密行業有關的數據，其中不乏 DeFi 領域的傑出用例：Uniswap 和 Compound 已經把前端程序整個存放到了 Arweave 上。

對於單機狀態的早期區塊鏈（standalone blockchains）來說，Permaweb 也不是不錯的狀態數據存儲選擇。例如，著名公鏈 Solana 就曾和第三方开發者合作以把 SOLAR 橋上的交易都存儲到 Arweave 上去，以實現永久、去中心化的狀態數據存儲。像這樣把源碼或狀態數據放到 Arweave 上的項目和團隊還有很多，在此不再贅述。

局限性

誠然，Arweave 及其生態有一定的局限性。

首先，Arweave 無意從價格層面去和頭部中心化雲（如 AWS、谷歌雲、Azure 等）或去中心化雲（Filecoin、Sia、Storj 等）搶奪市場。Arweave 有其獨特的價值主張——一種基於經濟、博弈論、激勵的去中心化永久存儲基礎設施。Arweave 毫不避諱它在價格和價值之間的取舍。事實上，正如前文所言，Arweave 的成本計算模型是非常保守的，並未採用業界 30.57% 的存儲成本衰減率、而是以 0.5% 的衰減率去計算的。好在總體來說，存儲服務都是便宜的。此外，由於目前有區塊補貼覆蓋大部分成本，用戶得以從中受惠。Arweave 現下的數據存儲成本往往低於 0.004 美元 /MB。

其次，如果沒有新的上層協議，permaweb 對於實時用戶交互體驗來說並不理想。一次操作可能要等待幾分鐘。在博客或網站這種體驗或許可以忍受，但對於更多其他應用來說顯示是不合理的。

另一個較為嚴重的局限是數據檢索速度。通常情況下，用戶是通過網關接入網絡的，而不是直連礦工節點。網關的主要作用是為用戶檢索全網、獲取特定數據。盡管 Arweave 鼓勵礦工節點相互存儲和共享數據，但 Arweave 和每個用戶家裏的網關並無直接激勵關系，網關也不能確保用戶可以快速、高效地獲取礦工節點中的數據。因此，Arweave 最近推出了一個新的共識協議 Amplify 以彌補這部分的不足。

最後，Arweave 的 permaweb 不具備隱私性，所有數據都永久公开、可直接訪問，不適合存放個人數據或一些敏感數據。

結論

很多人可能不知道， Internet Archive 是目前全球排名第 209 位的網站，在 2018 年時就存儲了超過 40 pd 的數據（> 13 萬臺筆記本電腦）。而 permaweb 的功能遠遠超出了單純的數據歸檔。因為構建於其上的應用層，Permaweb 擁有更多可能，如 NFT 存儲 / NFT 交易、流量變現、交互變現等等遠遠超出想象的場景。而如今的 Arweave 尚處於襁褓時期，存儲於其上的數據僅有 8.5 TB。捐贈池中的資金已達到 50 萬美元，但這仍然不到流通量的 0.1%。

正如前文所說，Arweave 不會通過價格搶奪市場，因為用戶需要為未來預支費用。如果 Arweave 想要實現其主張的永久存儲，問題的本質只有一個：“如果我為未來支付了費用，Arweave 能保證我在未來幾十年乃至幾個世紀使用我的數據嗎？”但現在很難得出答案，因為有太多的未知數。Weave 網絡會有多大？多大才算大？礦工會逐漸中心化嗎？會不會 AWS 的更貴版本的智商稅？網絡激勵設計是否可持續？對於上述種種，我們只得拭目以待。

話雖如此，Arweave 當下的目標是成為一個有趣的應用（特別是對 NFT 而言），而衆多的市場正面反饋是有目共睹的。畢竟，大量的 NFT 數據都需要長期存儲在某個地方。Arweave 开發團隊也已經提出了 SPoRA 這樣一個經過深思熟慮的創新機制，試圖應對長期挑战。SPoRA 的問世讓我們看到了他們試圖使網絡更健壯的調整和努力。這是一件好事，因為“實現永久存儲”和“承諾永久存儲”有着本質上的不同。

作者：Can Gurel

Reference

1. Arweave: The Permanent Storage Experiment, https://www.delphidigital.io/reports/arweave-the-permanent-storage-experiment/

2. SPoRA, https://github.com/ArweaveTeam/arweave-standards/blob/ans-103/ans/ANS-103.md

3. ArDrive, https://ardrive.io/

4. Weave mail, https://weavemail.app/

5. Verto.exchange, https://verto.exchange/

6. Koi.rocks, https://koi.rocks/contents

7. Pianity, https://pianity.com/

8. Profit Sharing Tokens: A new incentivization mechanism for an open web, https://arweave.medium.com/profit-sharing-tokens-a-new-incentivization-mechanism-for-an-open-web-1f2532411d6e

9. Arweave 團隊發現礦工的 Sacrifice Mining 作弊行為：https://twitter.com/samecwilliams/status/1374062282817290247?s=20

10. 主流 NFT 平臺及其存儲選擇：https://twitter.com/RealAllenHena/status/1379769287171309571?s=20

11. Arweave 與 Solona 的 SOLAR 橋：https://arweave.medium.com/introducing-solar-an-arweave-solana-bridge-for-housing-high-performance-blockchain-data-on-arweave-229a28eaa65d

12. Internet Archive：https://archive.org/

13. 2018 年的 Internet Archive 的存儲數據：https://thehustle.co/inside-wayback-machine-internet-archive

鄭重聲明：本文版權歸原作者所有，轉載文章僅為傳播信息之目的，不構成任何投資建議，如有侵權行為，請第一時間聯絡我們修改或刪除，多謝。