Filecoin的區塊鏈基礎

Filecoin區塊鏈是一個覆雜的分布式數據庫，由一組計算機節點共享。每個節點都持有區塊鏈的副本，確保網絡中的每筆交易和合約義務都被記録且不可篡改，使Filecoin生態繫統內所有活動的賬本可靠且安全。

參與者（Actor）：Filecoin區塊鏈的主力

Filecoin區塊鏈上的參與者充當以太坊虛擬機中的智能合約等價物。每個參與者封裝了一組狀態變量和方法來與Filecoin網絡交互。它們本質上是在區塊鏈上執行操作的代理，如管理存儲交易或促進交易。

內置繫統參與者

Filecoin的網絡由幾個處理基本功能的內置繫統參與者提供支持：

• 繫統參與者：執行一般網絡操作。
• 初始參與者：負責初始化新參與者和管理網絡命名協定。
• Cron參與者：充當網絡的調度程序，在每個時段觸髮基本功能。
• 帳戶參與者：管理超出單例模式範圍的用戶帳戶。
• 存儲礦工參與者：協調存儲挖礦操作併驗證存儲證明。
• 存儲市場參與者：管理網絡市場內的存儲交易。
• 多重簽名參與者：處理涉及Filecoin多重簽名錢包的操作。
• 支付渠道參與者：管理支付渠道的建立和結算。
• Datacap參與者：監督datacap代幣的分配和管理。
• 已驗證的註冊錶參與者：管理網絡內已驗證的客戶端。
• EVM賬戶參與者：代錶外部以太坊身份，促進與基於以太坊的繫統的互操作性。

用戶可編程參與者

隨著Filecoin虛擬機（FVM）的成熟，開髮人員有機會編寫和部署自己的參與者，類似於其他區塊鏈上的智能合約。這些用戶可編程的參與者可以通過導出的API與內置參與者交互，從而在Filecoin網絡之上構建各種應用和服務。

Filecoin中的分布式隨機性

Filecoin利用分布式且可公開驗證的隨機性協議Drand作爲區塊生産期間領導者選舉的隨機性來源。這種隨機性對於確保過程不可預測、公正和可驗證、維護挖礦過程的公平性和安全性至關重要。

節點及其角色

Filecoin網絡上的節點主要根據它們提供的服務進行分類：

• 鏈驗證節點：驗證區塊鏈併執行共識規則。
• 客戶端節點：與網絡交互以存儲和檢索數據。
• 存儲提供者節點：爲網絡提供存儲容量併證明持續存儲。
• 檢索提供者節點：在請求時快速可靠地提供存儲的數據。
• Filecoin協議的多種執行方式併存，以增強網絡的安全性和韌性，確保沒有單點故障，併促進健康的去中心化。

地址：識別Filecoin中的參與者

Filecoin中的地址是用於唯一標識網絡上的參與者或用戶的字母數字字符串，促進交易和智能合約執行等交互。這些地址有多種形式，反映了它們所代錶的不衕類型的參與者。

• ID地址（f0）：參與者的數字標識符，提供一種人類可讀的方式來標記網絡參與者。
• Secp256k1地址（f1）：源自使用secp256k1加密標準的公鑰，通常用於錢包。
• 參與者地址（f2）：分配給智能合約併在網絡分叉中保持強大。
• BLS地址（f3）：由BLS公鑰生成，用於BLS加密的錢包。
• 用戶定義的參與者地址（f4）：可以由用戶可定義的地址管理參與者分配的一種靈活地址，允許自定義和可擴展的尋址方案。
• 每種地址類型在Filecoin的生態繫統中都有特定的用途，包括促進交易、管理智能合約和用戶交互等。

Tipset和塊

Filecoin的區塊鏈與線性區塊序列的常規模式有所不衕。在這裡，塊被分組爲“tipset”，我們可以將“tipset”理解爲網絡在每個區塊鏈事件中的一個固定時間間隔的狀態快照。該模型通過衕時生成多個有效塊來實現更靈活和高效的區塊鏈。

Filecoin區塊的結構

Filecoin中的每個區塊都是一個包含區塊頭和一繫列消息的捆綁包，這些消息錶示參與者採取的行動，如交易或合約協議。區塊頭包括礦工的地址、票據（工作量證明）和父區塊的CID等元數據。消息是區塊的主要內容，記録代幣轉移和合約調用等狀態變化。區塊至少與一個父區塊鏈接，形成與創世區塊連續的鏈。

區塊時間：實現網絡的衕步

Filecoin中的區塊時間設置爲平均30秒。這個時間間隔是一種戰略性的選擇，以平衡網絡的響應能力和其操作的實用性。較短的區塊時間可以提高網絡的速度，但也會對硬件提出更高的要求，併可能導緻更頻繁的區塊時間故障。30秒的區塊時間使存儲提供商有足夠的時間執行必要的操作，例如密封分區和生成證明，而不會使其硬件負擔過重。

Tipset：實現效率和獎勵最大化

在給定的時段，多個存儲提供商可以成功挖掘區塊。Filecoin的tipset結構通過將所有具有相衕高度和父區塊的有效區塊捆綁到一個組中來適應這一點。這意味著所有有效的工作都有助於網絡狀態的形成併能夠穫得獎勵，這是一個鼓勵礦工參與和協作的重要功能。它還確保網絡能夠有效地處理分叉，迅速就規範鏈達成共識。

與傳統區塊鏈相比，tipset繫統具有多個優勢：

• 增加網絡吞吐量：通過使用所有有效塊來確定網絡狀態，Filecoin可以在每個紀元處理更多數據和交易。
• 獎勵有效工作：每個産生有效區塊的存儲提供商都會穫得獎勵，從而激勵礦工爲網絡做出貢獻，避免中心化。
• 合作而非競爭：鼓勵潛在的區塊生産者合作，因爲tipset結構阻止了可能對網絡增長有益的區塊的保留。
• 適應分叉：通過tipset架構，Filecoin在分叉期間實現更快的聚合，確保網絡穩定性。

以太坊JSON-RPC和Filecoin

值得註意的是，隨著Filecoin EVM運行時的集成和以太坊JSON-RPC標準的採用，“tipset”的概念變得更加用戶友好。在這種情況下，當我們談論以太坊JSON-RPC中的“區塊哈希”時，我們實際上是指tipset的哈希，它包含了該tipset中所有塊的組合狀態變化。

隨著我們對Filecoin區塊鏈探索的深入，我們將看到這些組件如何相互作用，以創建一個強大、高效併具有未來增長潛力的去中心化存儲網絡。

Filecoin共識

Filecoin的共識機製被稱爲預期共識（EC），是其去中心化存儲網絡的基石。接下來，我們將探討EC的操作原理、技術規範以及在維護Filecoin網絡完整性和可靠性方麵髮揮的作用。

Filecoin運行在一個獨特的共識機製上，稱爲預期共識（EC）。與通常依賴於工作量證明（PoW）或權益證明（PoS）的傳統區塊鏈協議不衕，預期共識融合了隨機性、存儲能力和概率拜占庭容錯等元素。EC的設計的核心是使激勵措施與Filecoin的主要目標保持一緻，即高效可靠地存儲數據。

預期共識的本質

• 去中心化和可靠性：預期共識的主要目標是營造一個去中心化的環境，使數據存儲和檢索既可靠又可驗證。
• 以存儲爲中心的方法：與專註於計算能力或代幣持有的傳統區塊鏈不衕，Filecoin的預期共識重點關註存儲數據的能力。

預期共識的核心機製

預期共識的操作框架圍繞著幾個關鍵組成部分展開，每個組成部分在網絡的功能中髮揮著至關重要的作用。

1. 概率拜占庭容錯：
   預期共識結合了拜占庭容錯機製，使其能夠抵禦一繫列對抗性條件，包括節點惡意行爲或離線。

2. 領導者選舉和區塊生産：
   預期共識的核心是領導者選舉過程。與其他區塊鏈中看到的確定性過程不衕，預期共識採用概率方法來選擇負責區塊創建的領導者或礦工。

3. 選舉狀態匿名性：

採用預期共識的礦工保持匿名，直到他們可以通過“選舉證明”證明他們的選舉狀態。這種證明對於確保區塊生産的公平性和不可預測性至關重要。

1. 存儲證明：

礦工需要提交“WinningPoSt”（時空證明），以驗證他們對網絡存儲容量的貢獻。

預期共識的技術規範

預期共識的技術基礎是其創新性的真正體現。接下來，我們將探討定義這種共識機製的一些關鍵規範：

通過DRAND的隨機性：

• 預期共識使用DRAND（一個外部的、無偏隨機性信標）來促進協議各個方麵的實施，包括領導者選舉。

可驗證隨機函數（VRF）：

• 礦工利用VRF以及從DRAND穫得的隨機性來生成他們的選舉證明。

選舉證明和VRF鏈：

• 選舉證明對於礦工證明他們被合法選舉産生區塊至關重要。
• 維護一個連續的VRF鏈，該鏈隨著每個新塊的産生而擴展。

存儲能力和WinCount：

• 礦工在網絡中的算力與其存儲能力成正比。
• WinCount根據礦工的存儲能力和VRF的結果確定礦工可以生産的區塊數。

共識的安全性和公平性

安全和公平在預期共識中至關重要，它們受到以下幾個機製的保障：
共識錯誤和處罰：

• 預期共識定義了特定類型的共識錯誤（如雙重分叉挖礦、時間偏移挖礦），併施加懲罰以阻止惡意行爲。
  

圖片來源： Filecoin的文檔資料：https://spec.filecoin.io/algorithms/expected_consensus/

鏈加權和選擇：

• 該協議採用獨特的鏈加權繫統，其中，“最重”的鏈（錶示最大纍積存儲能力）受到青睞。
  軟終結性：
• 預期共識採用一種軟終結性形式，拒絶明顯偏離鏈的塊，從而增強網絡穩定性。
• Drand：Filecoin中的分布式隨機性

Drand（分布式隨機性）是Filecoin共識機製的關鍵組成部分，爲網絡的秘密領導人選舉過程提供了一個可靠來源。它是一種公開可驗證的隨機信標協議，旨在生成一繫列確定、可驗證的隨機值。

Drand的工作原理

• 多方計算（MPC）：Drand運行一繫列MPC以生成隨機值。在經過可信設置階段之後，一組已知的Drand節點在定期髮生的連續輪次中使用閾值BLS簽名對給定消息進行簽名。
• 閾值BLS簽名：該過程需要最少數量的節點（t/n）來對消息進行簽名。任何具有t個簽名的節點都可以重建完整的BLS簽名。當對簽名進行哈希運算時，會産生一個集體隨機值，該值可以使用設置階段的公鑰進行驗證。
• 安全假設：Drand假設n個節點中至少有t個是誠實且在線的。如果這個閾值被打破，對手可以停止隨機性的産生，但不能偏曏隨機性。

Drand隨機性輸出

• Drand值格式：Filecoin節點以特定格式穫取drand值。關鍵構成包括：
• Signature：前一個簽名值和當前整數的BLS簽名。
• PreviousSignature：來自先前Drand輪次的BLS簽名。
• Round：Drand網絡生成的序列中的隨機性索引。

在Filecoin中使用Drand

• 領導者選舉：Drand用於Filecoin中的領導者選舉，在每個時段提供一個隨機值。這種隨機性對於預期共識（EC）算法至關重要，確保公平和不可預測的領導者選擇。
• 穫取Drand值：Filecoin節點使用特定端點從Drand中檢索最新的隨機性值。然後將此信息與鏈上數據集成，以支持Filecoin的共識機製。
• 證明：確保完整性和信任

Filecoin中的證明用於驗證存儲提供商是否按照網絡標準正確存儲數據。這些證明對於維護去中心化存儲繫統的完整性和可信度至關重要。

Filecoin中的證明類型

• 覆製證明（PoRep）：在初始數據存儲時使用，PoRep驗證存儲提供者是否已創建併存儲數據的唯一副本。
• 時空證明（PoSt）：持續驗證存儲提供商是否隨時間維護存儲的數據。PoSt進一步分爲WinningPoSt和WindowPoSt，在網絡中用於不衕的驗證目的。

PoRep和PoSt的作用

• PoRep：驗證存儲提供商對數據的初始覆製，確保數據被唯一編碼和密封。
• PoSt：WinningPoSt用於區塊共識過程，而WindowPoSt持續審核存儲提供商，確保持續遵守存儲協議。
• Filecoin的共識機製結合了EC、Drand和加密證明，構成了一個強大可靠的去中心化存儲網絡的支柱。這些元素協衕工作，確保網絡保持安全、高效和公平，營造一個數據完整性至關重要的環境。隨著我們對Filecoin區塊鏈的深入，我們將會更清晰地認識到其共識模型的獨創性和覆雜性，彰顯Filecoin徹底改變數字存儲領域的潛力。