Pebbling Game 鹅卵石游戏

2023-05-18

这是一个在线的网页游戏:Pebbling Game。可以看这个嵌入进来的网页:

为了直观展示 Pebbling Game 的游戏规则,经过几十次调整,GPT-4 完成了这个在线的游戏页面。

游戏的规则是:

  1. 点击节点的圆圈,可以在节点中放入鹅卵石
  2. 只有指向当前节点的所有节点,都已经放置了鹅卵石,当前节点才能够放置鹅卵石
  3. 游戏目的是在节点 0 放置鹅卵石
  4. 任何时间都能够从任意节点取走鹅卵石

如果直接点击节点 0,可以看到两个红色闪烁圆圈的提醒,意思是节点 1 和 2 都还没有放入鹅卵石,所以节点 0 不能放入鹅卵石。

节点 7 没有来源节点,所以可以直接放入鹅卵石。点击节点 7,能看到节点内出现了黑色的实心圆。此时如果想把鹅卵石放入节点 3,会提示因为节点 6 还空着,放入失败。节点 3 的来源节点是 6 和 7.

那么在这样的游戏规则下,问:最少需要多少颗鹅卵石?

如果鹅卵石足够多,这个图中一共有 10 个节点,手里有 10 个鹅卵石,就不需要取走鹅卵石的操作,直接按照顺序把节点填满就行。

如果鹅卵石有限,寻求鹅卵石数量最少的解法,这个图应该至少需要 5 个鹅卵石。

鹅卵石游戏的特点就是,总会存在一个最小值,如果鹅卵石的数量少于这个值,游戏将不能完成,因为最终的节点依赖于下层节点,而下层节点依次依赖于更下层的节点。如果中间节点的鹅卵石被取走,还需要从最下层开始重新放置。

鹅卵石游戏对于 Hard-to-pebble graphs 的数据结构具有启发意义,理解了游戏的规则,就理解了区块链如何证明磁盘空间的大小。

空间证明

Hard-to-pebble graphs 是一种结合了 Merkle 树的 DAG,特点就是需要一定数量的储存空间才能够完成最顶点的计算。就像是鹅卵石不够就无法完成游戏,储存空间不够就无法完成挑战。

由于图的多种多样,需要鹅卵石的数量没有通用的最优解,只能是针对某一种类型的图,去计算空间复杂度。

区块链场景的需求是既要占用空间大,又要验证速度快。Stack expender graph 的图结构在 Proof of Space 中使用比较广泛。在验证阶段,只需要按照 Merkle 树的特点,验证图中的某些节点,就可以确认图的完整性了,同时也能根据图的深度,推算出占用了多大的磁盘空间。

如果既要验证空间大小,又要验证空间占用的持续性,就在空间证明的基础上加上对时间的证明,比如 Chia 就用了 Delay Verifiable Function 的方式,先验一遍空间证明,等一段时间后,用 VDF 验证确实经过了足够多的时间,然后再验一遍空间证明,就达到了 Proof of Space-Time 的效果。