IPFS区块链之 Filecoin的出块机制

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IPFS区块链之Filecoin的出块机制

Filecoin的出块机制——EC共识




所谓共识机制,正是区块链的核心部分。区块链发展至今,从POW,POS,DPOS再到现在较热门的VDF/VRF相关的各种共识,都是为了探索更好、更安全且更经济的方式。因此,Filecoin推出了自己的共识机制,预期共识(EC)。
有交易和区块链必然会有记账的问题,Filecoin也是如此。在解决共识机制时,Filecoin抛开了以往区块链的高度依赖计算资源、能源消耗形成的共识机制,重新利用有意义的工作来形成共识机制,这就是PFT(powerfault tolerance)—— 进化版的拜占庭容错机制,将矿工当前在网中使用的存储量和生成的时空证明转化为投票的权重,然后节点利用这个权重进行选举产生一个或者多个领导节点,领导节点创建新的block 并把它们传播到网络。Filecoin的block 数据结构采用了DAG 结构。


PoW共识机制

PoW(Proof of Work)即工作量证明机制,是最古老的一种共识机制,采用PoW共识算法最典型的代表就是比特币。
矿工们在挖一个新的区块时,必须对SHA-256密码散列函数进行运算,区块中的随机散列值以一个或多个0开始。随着0数目的上升,找到这个解所需要的工作量将呈指数增长,矿工通过反复尝试找到这个解,这就是PoW算法的基本原理。PoW共识机制是通过消耗大量能源做哈希运算进行算力竞赛,以高算力维护区块链条的稳定性。在算力较高的时期,攻击区块链需要花费高昂的攻击成本。但如果出现全网算力降低的情形,就很容易出现双花攻击,如BTG、ETC就曾遭遇过双花攻击。
除此之外,PoW共识机制最被人诟病的当属它的高耗能。据报道,近年来,全球用于挖矿的电力消耗就达到了世界一年总用电量的1%,耗能度相当惊人。但是PoC依然存在浪费资源的情况,通过P盘让硬盘存入大量的无效数据来验证容量。而Filecoin的共识机制PoSt中的存力是基于实实在在的有用的存储服务,不同于为了获得算力而耗费大量能源进行缺乏实际意义的哈希运算。
基于PoW共识机制的挖矿造成巨大的能源浪费,对实体经济没有产生实质性的价值,存力即算力,服务实体的同时赋值通证,而PoSt改变了这一点,PoSt共识机制是不浪费能源,或大大降低能耗的共识机制,做出了一次全新的具有未来意义的探索。因此,Filecoin也被认为是区块链3.0。

预期共识机制

在共识机制的探索上,Juan Benet引领的协议实验室是有过深思熟虑的,在Filecoin白皮书中他们提到了要探索一种有用的共识机制。
今年是Filecoin项目启动以来第5个年头,用5年的时间去打造一个项目,项目团队的决心和意志是毋庸置疑的。
Filecoin的共识机制相对环保,淘宝店主(矿工)发完货(完成存储),买家是要确认收货(确认矿工完成存储),这里的“确认矿工完成存储”,就是Filecoin的共识机制(存储证明,PoSt),这个“确认矿工完成存储”会一直存在于Filecoin网络中,用户可以随时查看。Filecoin把矿工在网络中的当前存储数据相对于整个网络的存储比例转化为矿工投票权,利用存储证明(PoSt)来产生共识,不用像比特币那样浪费计算资源和能源,并且能激励矿工投入更多的硬盘为网络做贡献。


预期共识是Filecoin团队目前提出的一个解决方案,我们可以用常见的“套圈游戏”来解释——每一个矿工面前都有一个固定面积的游戏场地,面积与整个网络的总算力相当,每个人都一样,但每一个矿工的算力各有差异,仅占总算力的一小部分,算力代表着每位矿工贡献给网络的存储空间,每一个矿工手上都有一个套环,环的大小和矿工的算力是成正比的,出的块作为一个奖品随机存在那个场地中(这个由可验证的随机函数来确定)每个人都是蒙着眼睛进行套圈,没有人知道奖品所在的具体位置在哪里,每个矿工自由的扔出他们的套环,套中的奖品则获得出块奖励,否则进入下一轮进行重复。
通过这个共识机制我们基本实现了区块链中一个理想的选举公平性:矿工出块的机会与算力成正比;
不可预知性:由于HASH算法的不可逆性,出块是不可预知的;
可验证性:Filecoin网络中运用了VRF的可验证随机函数和VDF可验证延迟函数,既保证出块选择的随机性,也让整个过程验证十分方便;
可承受攻击性:Filecoin的算力计算安全性依赖POST协议的,而POST的安全性我们已经充分证明。
资源消耗性:Filecoin网络需要大量的计算,不存在浪费资源的问题,每一笔交易都解决了实际存储或者检索的需求。

虽然这个证明很巧妙,但是它也并非完美的,目前存在一个问题就是,套环的过程中可能有多个人同时命中奖品,获得出块的奖励,也有可能没有任何人命中,那这个问题怎么解决呢?目前Filecoin给出的方案是:当多人命中时各自产生区块,而且每一个区块都有效,也就是说同一个高度就可能有多个区块,然后把这些区块再打包,称为一个Tipset,因此在Filecoin中,链并不能完全称为区块链,而应该是Tipset链,一个Tipset里包含一个或者多个区块,而没有人命中的时候那就跳过,这个高度就是一个空块,这样一来,尽管不够均匀,但还是形成了链,而且是收敛的。
但是Filecoin官方对目前的共识机制还是不太满意,特地悬赏20万美金给更好的算法的提出者,据说开发团队在Filecoin项目的开发中,本可以使用POW共识机制,但他们却选择开发挑战难度系数更大的POST时空证明机制,宁缺毋滥,足见团队的极客精神和伟大情怀!


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