SET:星際聯盟解讀 Filecoin中的WinningPoSt是什么？區塊獎勵是如何產生的？_MIN

概述:

WinningPoSt是Filecoin網絡獎勵存儲提供者的機制，旨在構建一個安全、高效、可靠地分布式存儲網絡。

Winning代表出塊權，Post就是在獲得出塊權時需要提交的時空證明。當存儲提供者通過EC共識的leader競選算法成功贏得出塊權后，便要進行WinningPoSt挑戰。WinningPoSt挑戰的答案必須在短時間內提交，使得存儲提供者來不及通過密封找到挑戰的答案，以此保證挑戰者存儲了指定數據副本。證明答案會放進區塊中，每個成功創建區塊并被主鏈認可的存儲提供者會得到FIL獎勵，并且在區塊中打包消息，可以收取其他Filecoin參與者的費用。如果存儲提供者未能及時提交時空證明，便會失去本次打包區塊的機會，但不會受到任何懲罰。

本文將詳細分析Lotus代碼中WinningPost以及EC共識的設計。

源碼分析

(基于Lotusv1.11.1)

1.啟動

使用lotus-minerinit初始化一個miner，該miner將主要負責兩個任務，一個是worker的調度，另一個Mining協程就是負責出塊。

2.m.mine()

typeMiningBasestruct{

??TipSet???*types.TipSet

??NullRoundsabi.ChainEpoch//從Base到當前高度,沒有產生區塊的輪次數

}

go?m.doWinPoStWarmup()??//喚醒WinningPoSt,log記錄本次喚醒時長

星際港灣：持續安全布局 推動IPFS領域發展:8月28日，分布式存儲服務商星際港灣迎來兩周年慶典，并開啟為期7天的周年慶活動。星際港灣CEO Wendy表示“ 經過兩年的發展，公司已經完成天使輪融資，硬件資產超1000W美金，我們始終將用戶資產和硬件安全放在第一位。對任何企業來說，透明、安全都是不可逾越的企業紅線，星際港灣秉承著運營透明、收益透明的服務理念，讓用戶可以放心參與分布式存儲生態建設。”，此外星際港灣也將持續推動IPFS領域、區塊鏈領域的發展。據悉，星際港灣目前已與電子科技大學實驗室達成校企合作，雙方也將在軟硬件研發、區塊鏈安全、IPFS生態建設等方面共同發力。[2021/8/28 22:42:59]

For{

?For{

???Prebase=GetBestMiningCandidate??//獲取最優Tipset

???如果base和prebase的高度、nullrounds相同，則退出循環進行出塊??//如果此時拿到的不是最優Tipset，出塊會形成孤塊

???waitFunc??//等待一個網絡傳播延遲

???api.BeaconGetEntry(prebase.TipSet.Height()+prebase.NullRounds+1)?//等待能夠獲得最新回合的隨機信標

???Base=prebase?

?}

?b=m.mineone()??//競選Winner

?SyncSubmitBlock(b)//將新創建的區塊通過PubSub同步到網絡上

}

首先，Filecoin是一個由Tipset組成的鏈，一個高度對應一個Tipset，Tipset包含了對應高度生成的區塊，目前一個高度預期出塊數約為5，如果在一個高度沒有人出塊，則稱為空Tipset。

新華三集團存儲架構師陳宇軒：星際文件系統將成為未來的數據存儲新趨勢:4月25日，由星際聯盟主辦的2021分布式存儲生態峰會在上海召開，新華三集團存儲架構師陳宇軒受邀作為分享嘉賓發表了以“分布式存儲助力數字經濟發展新格局”為主題的精彩演講。

首先他向大家介紹了新華三集團，新華三作為數字化解決方案領導者，深耕行業三十余年，產品和解決方案廣泛應用于近百個國家和地區。此前，星際聯盟與新華三已經達成了戰略合作。

接著，他從技術角度分析了未來數據將呈現爆發性增長，而星際文件系統相比傳統的存儲方式有著革命性的優勢，將成為未來的數據存儲新趨勢。他表示，區塊鏈應用對存儲提出了三大挑戰：極穩性能、極簡管理、極智處理。

去年12月，新華三集團與星際聯盟簽署戰略合作協議，明確達成將在分布式存儲數據中心網絡技術研究與應用、分布式存儲科技產業未來的云形態與實際應用、聯合芯片研究并結合實際業務需求推動場景化應用、分布式存儲行業ICT硬件技術標準的研究與制定等方面展開合作。[2021/4/25 20:56:14]

Mine函數使用了兩層循環，里面一層是為了獲取最優Tipset，最優Tipset是指從當前輪次向前推，上一個非空的完整的Tipset，稱為base，每有一個空Tipset，base.NullRounds加1。但由于產生空Tipset的概率非常低，一般情況下NullRounds值為0。外層是獲取最優Tipset后開始競選Winner，競選的成功率基于泊松分布，如果競選成功并創建區塊同步到網絡上，該區塊被主鏈認可后，便能得到FIL獎勵。

3.m.mineone()

//獲取Base的基本信息，包括Miner和全網算力、需要抽取的sector信息、用于生成隨機數的Beacon

動態 | 區塊鏈游戲開發商Lucid Sight將推出星際迷航收藏品:據coindesk消息，區塊鏈游戲開發商Lucid Sight正在與媒體公司CBS Interactive合作，將在今年晚些時候通過其太空游戲CSC，將星際迷航中的標志性星際飛船引入數字宇宙。這些出售的所有宇宙飛船都將在以太坊區塊鏈上進行保護，并根據創建順序進行唯一編號。[2019/6/4]

MinerGetBaseInfo()?

????//獲取900個高度前的Tipset

????GetLookbackTipSetForRound?

computeTicket()

????//依次寫入base回合隨機信標、加密類型、上一輪次和Miner地址計算Hash

????Store.DrawRandoness

????ComputeVRF?//使用私鑰給Hash值簽名，生成一段可驗證的VRF輸出

IsRoundWinner()

????//依次寫入本輪的隨機信標、加密類型、當前輪次和Miner地址計算Hash

????Store.DrawRandoness?

???//若某Miner成功贏得選舉提交區塊，其他Miner可以通過提交的VRF輸出判斷winner是否符合條件

???ComputeVRF?

???//計算贏得的獎勵數，算法基于泊松分布

???ComputeWinCount(MinerPower,NetworkPower)

???//抽取一個Sector,并計算該Sector上的66個葉子的CommR

???ComputeProof()

Xcare E20代幣將遷移至IMT星際云公有鏈:Xcare基于以太坊的E20代幣、APP生態、數據存儲將整體遷移到IMT星際云公有鏈，Xcare 切換到IMT公鏈完成后，Xcare官方會空投糖果給IMT社區。以后基于IMT星際云公有鏈合作的代幣都會空投，同時IMT會做銷毀。IMT同時也在加快超級礦機節點部署速度、優化TPS性能。[2018/5/2]

api.MpoolSelect()→CreateBlock()//從消息池中挑選一些Message打包成區塊

MinerGetBaseInfo獲取用于出塊的基本信息，需要注意的是其中GetLookbackTipSetForRound獲取了900個高度前的那個Tipset，因為此時可以認為該Tipset在鏈上的狀態是穩定的，幾乎不可能處于分叉鏈上。用于出塊的Miner算力、全網算力、抽查扇區和worker均是基于900個高度前的Tipset，而不是當前的情況。

其中抽查扇區邏輯使用cgo調用rust函數generate_winning_post_sector_challenge實現，具體如下：

letmuthasher=Sha256::new();

hasher.update(AsRef::<>::as_ref(&prover_id));

hasher.update(AsRef::<>::as_ref(&randomness));

hasher.update(&n.to_le_bytes());

lethash=hasher.finalize();

letsector_challenge=LittleEndian::read_u64(&hash);

星際爭霸2聯賽將獎勵選手萊特幣:知名電子競技游戲星際爭霸2新賽季psistorm冠軍杯聯賽即將開啟門票預售，值得一提的是，這次比賽的獎金不光是美元，psistorm還將發放萊特幣作為部分冠軍獎金。[2018/3/14]

letsector_index=sector_challenge%sector_set_len;

其將prove_id、隨機數和抽查扇區類型做sha256的hash計算，計算結果與扇區數取模，得到結果就是抽查的扇區ID。

這里選擇抽查扇區ID時引入了隨機數，隨機數的生成基于DRand協議。DRand是一個公開的可驗證隨機信標協議，使用基于BLS的(t,n)-閾值簽名方案。簡單來說，就是生成n份簽名，只需要收集到其中t份簽名就能重構出完整的BLS簽名，Filecoin使用blake2b散列算法將簽名轉換為一個256bit的字符串。drand輪數和Filecoin高度之間存在映射關系，在winning競選前，MinerGetBaseInfo函數以當前高度和base高度為入參，得到相對應的DRand輪數來獲取隨機信標。如果DRand信標中斷則會打斷Filecoin區塊的產生，期間Miner只能發布空塊。不過DRand分發恢復后會快速產生drand值趕上當前回合，從而快速的恢復Filecoin區塊生產。

ComputeTicket得到的Ticket存放到創建的區塊中，用于該區塊在Tipset中的排序，Ticket最小的優先級最高，其打包的消息會被優先執行。

ComputeProof會調用Rust函數fil_generate_winning_post生成時空證明。該函數也引入了隨機數，以從上述ID對應的扇區抽查隨機的66個葉子節點，驗證是否可以正確計算出CommR和Merkle樹根。

EC共識

區塊鏈世界中，千千萬萬個Miner夜以繼日的工作為的就是取得出塊權，分配出塊權的機制稱為共識，像Bitcoin使用的是PoW工作量證明，誰先算出哈希難題，誰就有權出塊得到獎勵。

上面的mineone代碼邏輯中包含了Filecoin中最為重要的共識協議稱為EC共識(ExpectedConsensus)。EC共識采用非交互的方式來選舉leader，即每個節點私下進行運算，如果運算成功，提交一個證明即可。在每個Epoch開始時，所有的存儲提供者都會運行一次leader選舉，選舉中它們做的是同一道題，計算量不大，只是每個人的參數不同，預期指定數量的參與者代入參數后答案不為0，競選成功獲得出塊權。EC共識保證了競選獲勝者是隨機的，獲勝的幾率僅僅與他們自身的算力大小相關，目前每一輪全網預期獲勝數為5，并且EC共識的計算量很小，是一個綠色環保的共識機制，使得存儲提供者更愿意投入存儲空間而不是計算力。

1.泊松分布

X服從參數為λ的泊松分布，則概率分布為

期望E(X)=λ，λ很小時的泊松分布圖像如下

2.ComputeWinCount函數

Lhs?=blake2b.Sum256(ep.VRFProof).Int??//獲取一個隨機數，位于[0,2^256)

λ=power/totalpower*5?//λ很小時,泊松分布圖像如上圖所示

Rhs(j)=1-P(X=0)-p(X=1)-…-p(X=j)??*2^256

for(j=0;Lhs<Rhs(j)&&j<15;j++)；

Wincount=j；

代碼的邏輯是當Lhs>=Rhs(j)或j>=15時退出循環，Wincount=j

不難理解，wincount=0概率為p(0)，以此類推，wincount=i的概率為p(i)

∴Wincount~P(λ)

3.WinCount

E(Wincount(p))=λ=p/t?*5

礦工的算力越大，獲得的Wincount期望越高

E(Wincount(2p))=2p/?5≈2p/t?5=2E(Wincount(p))?

由于單個礦工的算力相對于全網總算力非常小，所以wincount的期望與礦工的算力線性相關，礦工拆分算力獲得的獎勵和不拆分獲得的獎勵幾乎是一樣的

又設單個曠工算力為Pi，則全網wincount總期望為

所以每個Epoch全網預計wincount為5

4.出塊率

當Wincount≠0時，Miner便能獲得出塊權。Wincount>0時，Miner雖然只出一個塊，但可以獲得多份獎勵，Wincount的和會被計入Tipset的權重中

9月8日全網總算力為10.4388EiB，得出塊率和算力的關系圖像如下

當Miner算力小于500PiB時，出塊率和算力大小幾乎成正比，每PiB獲得出塊權的概率約為0.00046。隨著全網算力持續增長，單P出塊率正持續下降。以8月8號為例，當日全網算力為8.77EiB計算得當日單P出塊率為0.00054，僅僅一個月的時間，單P產量就下降了15%，另外當前全網存儲總量已經超過了基線要求，有效算力高速增長致使出塊的獎勵也在減少，所以越早加入Filecoin網絡，獲取的收益率越高。

5.共識錯誤懲罰

出于利益，存儲提供者可能會選擇無視共識協議，試圖分叉鏈，影響協議的公平性。為此，Filecoin為共識錯誤攻擊設置了相當嚴重的懲罰。

如在同一個區塊高度連續發布多個區塊，就可能觸發共識攻擊懲罰。根據合約ReportConsensusFault，一旦出現共識錯誤攻擊，所有網絡節點均可報告，檢驗屬實將會導致攻擊者接下來7.5個小時不能出塊，pre消息不能上鏈，并扣除一個區塊獎勵，舉報者可以獲得懲罰的1/20。

總結

Filecoin中每30秒存儲提供者競爭一次出塊權，全網預期贏得的區塊獎勵數為5。每個存儲提供者出塊的幾率僅與自身的算力大小相關，當算力小于500PiB時，出塊率和算力大小幾乎成正比。此外，存儲提供者拆分算力和不拆分獲得的獎勵幾乎是一致的。獲得出塊權后需要對一個隨機扇區的隨機66個葉子節點進行驗證，并挑選消息打包區塊同步到網絡上，被主鏈認可后便能獲得區塊獎勵。

Filecoin使用了綠色環保的EC共識機制，有效的激勵存儲提供者積極封裝算力，為分布式存儲的未來不斷添磚加瓦。而目前單P產量正處于快速下降中，對于存儲提供者來說，越早的加入Filecoin網絡才能獲得更高的收益率，而對于整個項目來說，這表明正有越來越多的人參與到Filecoin網絡的建設，有助于項目的長期發展和價值提升，未來的局面也越發令人期待！

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