LEC:分布式存儲技術改進：從 Filecoin 到 Filecash

Filecoin將區塊鏈引入到分布式存儲領域，Filecash通過新的技術探索權衡安全與效率。

撰文：Luff

正如比特幣擴容之爭分叉出比特現金，在Filecoin誕生三年后，基于不同理念的社區人士發起了首個分叉項目Filecash。Filecoin是將區塊鏈引入分布式存儲領域的第一個吃螃蟹的人，它希望通過一系列機制設計成為存儲人類重要數據的激勵相容的網絡系統。

但復雜的系統設計使得Filecoin的進展舉步維艱，執著于「存儲有價值數據」的初衷讓Filecoin飽受爭議，主要體現為兩點：

技術方案：高證明成本導致網絡參與門檻過高經濟模型：抵押、懲罰等機制對礦工過于嚴苛作為Filecoin的分叉項目，Filecash試圖通過方案改進來平衡社區的利益紛爭。本文主要從技術角度闡述Filecoin的運行方式及Filecash的新探索。

Filecoin市場機制

為更好理解Filecoin的技術原理，我們先簡單介紹Filecoin的市場機制。Filecoin構建了兩個市場：數據存儲市場和數據檢索市場，兩個市場分別存在礦工和用戶。

Filecoin存儲市場與檢索市場運行流程，來源Filecoin白皮書

存儲市場

存儲市場是由存儲礦工與有數據存儲需求的用戶參與的市場。存儲市場中客戶提出存儲數據的需求，而存儲礦工，提供他們的存儲空間和存儲服務。一個完整的存儲周期如下：

東數云儲：將在九月完成分布式存儲平臺戰略布局:8月19日消息，東數云儲看好分布式存儲浪潮，并將在在9月正式完成分布式存儲平臺布局。東數云儲立志要做真正落地應用的分布式存儲平臺，配合國家樞紐關鍵節點建設。

據悉，東數云儲是由海南自貿港區招商引資引入的一家區塊鏈技術公司，落戶在海南自貿區。[2021/8/19 22:24:35]

第一，存儲礦工提供自身價格及存儲要求至訂單簿。訂單薄是公開的，任何人都可以查看，存儲市場的服務價格是由市場所決定。第二，當客戶的需求價格與存儲礦工的訂單相匹配時候，交易自動撮合。第三，驗證者驗證礦工是否存儲有效數據，采用零知識的非交互式證明進行驗證，有效保護隱私。

檢索市場

檢索市場為鏈下市場，用戶可以通過檢索市場訪問自己所需要的數據，由檢索礦工來提供檢索服務。檢索礦工不參與區塊生成環節，直接從客戶端獲取相應服務費用。

一個完整的檢索周期如下：

第一，用戶與檢索礦工廣播出價單和報價單，如發現訂單匹配，則在鏈下訂單簿發起交易。第二，達成交易后，雙方建立鏈下支付及數據傳輸信道完成交易。第三，交易完成后，訂單和交易提交至區塊鏈記錄，并驗證交易結果。

Filecoin如何實現這樣一個基于區塊鏈的數據市場？共識機制是關鍵，它決定了區塊鏈的基本運行邏輯并維護網絡安全。

Filecoin共識機制：預期共識為主，復制證明時空證明為輔

中戰科技與圖靈云儲簽訂7000萬元分布式存儲中心項目合同:4月28日，中戰科技（北京）有限公司宣告稱，基于對IPFS星際文件系統、分布式存儲系統在今后國內數據中心大規模使用的共同判斷與良好預期，本著互惠互利共同引領國產化分布式存儲、超算中心的戰略目標，以及平等自愿、誠實信用的原則，2021年4月28日公司與山東圖靈云網絡有限公司簽訂了《分布式存儲中心項目》銷售合同，公司負責圖靈云儲分布式存儲中心項目計劃所需算力機與存儲設備的研發、供貨、安裝、調試、軟件配置及數據中心維護工作，合同金額為7000萬人民幣。[2021/4/28 21:06:19]

Filecoin采用了預期共識為主，復制證明時空證明為輔的混合共識技術。其中預期共識決定在一個周期內由誰產生TipSet，而復制證明和時空證明則維護網絡穩定安全運行。

預期共識

預期共識脫胎于權益證明共識機制，只不過將權益共識里面的代幣權益換成了存儲。每一輪選舉一名或者多名領導礦工來創建新的區塊，礦工贏得選舉的可能性跟礦工當前的存儲能力成正比。

每一輪，選舉出來的領導礦工數期望值為e，被選舉出來的礦工創建新的區塊，并對網絡進行廣播。Filecoin區塊鏈，每個區塊高度對應到的是一個區塊集合(Tipset)，每個區塊集合包含數量不定的區塊，這種鏈式結構接近有向無環圖(DAG)。

Filecoin希望構建一個開放的、人人可參與的、無需信任的經濟系統。首先要保證系統安全穩定運行，防止網絡攻擊。從存儲角度理解，網絡面臨兩個問題：

Tim Draper：分布式賬本技術正在改變藝術行業:風險投資家Tim Draper認為，分布式賬本技術正在改變藝術行業。Draper強調了DLT的核心設施給藝術行業帶來的好處，比如不變性、透明度和可追溯性，“人們將能夠給他們的藝術品打上標記，這將使藝術品買家在購買時更有把握，也使藝術家更樂于知道自己的藝術品在哪里，以及它的所有者是誰。”（Cointelegraph）[2020/7/16]

礦工確實按照用戶需求存儲了數據的相應備份，并且數據能夠被訪問；在合同有效期內，礦工不得刪除用戶數據。如何約束礦工實現以上兩點？Filecoin存儲證明就是解決之道。Filecoin存儲證明由復制證明與時空證明兩部分組成。其中復制證明用于解決第一個問題，而時空證明則解決第二個問題。

復制證明

簡單來講，復制證明就是礦工證明自己真的存儲了用戶的數據。

用其發明者BenFisch的話來解釋：

「復制證明是一個交互式證明系統。在這個系統中，存儲的提供者需要提供可公開驗證的證明，來表明其為一個數據文件副本分配了獨有的空間資源，而且所存儲的數據是可檢索的。

進一步說，PoRep使證明者能夠證明他們正在使用不低于需要的最小空間來存儲信息，并實際使用該空間來存儲有用的信息。同時，PoRep可以有效地提取存儲的任何數據。」在復制證明過程中，存儲礦工將用戶數據存儲到扇區。扇區被存滿后，礦工對扇區進行封裝，封裝是一個計算量很大的過程，它會生成數據的唯一標識碼。一旦數據被封裝，存儲礦工生成證明，然后對證明進行零知識證明壓縮，最后將壓縮結果提交到鏈上，成為存儲承諾完成的證明。

THORChain發布分布式簽名協議THORChainTSS白皮書:去中心化交易協議THORChain發布THORNode的子服務分布式簽名功能THORChainTSS白皮書以及相關基準文件。根據該白皮書顯示，THORChainTSS是一種實用的分布式閾值簽名協議，該協議基于Genarro-Goldfeder在2018年提出的方案，允許多個參與方共同協作以生成可用于驗證給定簽名正確性的公鑰。同時，THORChain表示該協議是一種具有魯棒性的協議，允許當事方的閾值參與簽名生成，從而避免單點故障的問題。（Medium）[2020/7/10]

復制證明通過四個階段來完成：

密封預交付第1階段：在這個階段，進行PoRepSDR編碼。這個階段受CPU限制，是單線程的。這個階段預計需要幾個小時的時間，精確的時間取決于被密封的扇區的大小，當然，也取決于進行密封的機器的規格。密封預交付第2階段：在這個階段，Merkle樹的生成是使用Poseidon哈希算法執行的。這個過程主要是GPU限制的，但應該預期會慢得多。當使用GPU時，此階段預計需要45分鐘到1小時。密封提交階段1(C1)：這是一個中間階段，執行生成證據所需的準備工作。它受CPU限制，通常在幾十秒內完成。密封提交階段2(C2)：最后，這個密封階段涉及到創建一個SNARK，在它被廣播到區塊鏈之前，它被用來壓縮必要的證據。這是一個GPU密集型過程，預計需要20-30分鐘才能完成。時空證明

聲音 | 范一飛：加強金融領域區塊鏈應用、數據安全、分布式數據庫等標準供給:據中國金融雜志報道，中國人民銀行副行長范一飛于《中國金融》2019年第23期撰文《標準建設提升金融治理現代化水平》。文章提到，繼續深化金融標準供給側改革。高質量的金融發展需要高質量的金融標準。當前，金融標準缺失、部分金融標準老舊問題依然突出。與信息技術標準相比，金融產品、服務和管理標準仍然薄弱，標準內容的適用性仍需加強，金融機構標準工作機制建設有待完善，與滿足金融高質量發展要求尚存在一定距離。提高金融標準供給質量，一方面，要補齊重點領域標準短板，順應人工智能、大數據、云計算、區塊鏈等在金融業應用的發展態勢，加強金融領域區塊鏈應用、數據安全、分布式數據庫等標準供給，加快制定精準扶貧、便民金融應用等普惠金融、消費者權益保護標準；另一方面，要前瞻性地做好標準預研，緊跟數字金融熱點領域和發展趨勢，做好國內標準需求預判研究，強化標準引領。[2019/12/1]

復制證明完成后，存儲礦工必須證明其持續存儲了用戶數據，這將通過時空證明完成。時空證明是向存儲礦工發出加密挑戰的過程，只有直接封裝扇區的礦工才能正確回答。存儲礦工必須在嚴格的時間限制內應對這一挑戰。Filecoin中時空證明有兩大挑戰：WindowPoSt和WinningPoSt，此處不作展開。

時空證明底層機制，來源Filecoin白皮書

Filecoin安全機制

Filecoin白皮書中提到復制證明可有效防止女巫攻擊、生成攻擊和外包攻擊。但需要考慮一個問題：復制證明作為一種證明算法，本身可以否被偽造？答案是肯定的，事實上任何公開的的證明都可以被偽造，機制設計的目的就是提高攻擊者的成本，讓其攻擊成本高于獲利就能避免攻擊。

不難想象這樣一種攻擊行為：

礦工在存儲用戶數據的時候發起復制證明，然后在復制證明完成后刪除數據；而在需要時空證明的時候再做一次復制證明。這樣，存儲礦工別沒有持續保存用戶數據的備份，但卻依舊能夠完成整個存儲證明而獲得獎勵。

其實在Filecoin存儲證明中，復制證明與時空證明是相互依賴的。Filecoin通過兩個證明過程的時間要求來避免攻擊。具體來說，時空證明必須在很短的時間內完成，否則無效；而復制證明如果不能在很短的時間內完成的話，就不能發起攻擊。當這兩個時間的差距越大，安全性就越高。Filecoin網絡對證明時間的要求：

時空證明要在小于一個區塊時間內完成，時空證明的時間是網絡設定的；復制證明被設計成通過數小時才能完成，復制證明的時間消耗是由于算法的復雜性造成的。單純從安全角度考慮，復制證明所消耗的時間越長，對網絡而言越安全，可以從以下兩個角度考慮延長復制證明所消耗的時間：

算法長度：步驟越多的算法需要的時間越長算法可并行性：并行度可以通過增加資源減少運算時間具體來說，當前Filecoin復制證明所采用的的SDR算法在這兩方面都保證了足夠的強度。

算法長度通過多步驟計算實現：比如在復制證明中要計算11層labels，這個層數可以調整，層數越多，步驟越多，時間越長；每層計算之間強依賴關系來去并行化：在計算labels時，每一步的計算都依賴上一步的結果，所以不能通過增加資源的方式來縮短計算時間；

但是，安全的代價往往是高成本。Filecoin在保證網絡安全性的同時帶來了幾個問題：

高昂的計算成本降低了網絡的經濟效率，類似PoW一樣通過消耗昂貴的計算資源僅僅達成存儲證明，這一點與Filecoin白皮書提倡的「有用共識」相悖；復雜的證明過程提升了對礦機硬件配置的要求，特別是CPU、GPU與RAM上的成本。主流Filecoin礦商CPU與GPU配置對比

Filecash的技術權衡

盡管ProtocolLabs一直在優化復制證明算法，例如計劃升級到NSE算法以改善成本和檢索延遲，但短期內仍然無法解決效率問題。在安全性與成本的權衡中，Filecash選擇了適當降低安全性，換取更低的參與門檻。

Filecoin計算資源消耗主要集中在復制證明第一階段，Filecash方案優化也主要在這個階段，體現為以下幾點：

升級P1核心算法，將SHA256算法升級為SHA512。由于AMD處理器支持SHA256擴展，這樣會使得AMD處理器在P1階段具備極大優勢，可能使用英特爾處理器計算P1過程需要30個小時，而是用AMD處理器去只需要4個小時。這將導致大量閑置的英特爾機器因為不具備經濟效益，無法參與Filecoin網絡。而升級到SHA512算法Filecash可同時接納不同處理器機器。將P1階段計算層數由11層減為8層。參考一些容量證明項目，8層的計算層數已經能夠提供足夠的安全性，但是卻可以大大提高經濟效益。修改扇區大小為16G，降低內存占用量。目前Filecoin的扇區大小是32G和64G，這就要求礦工的電腦也至少需要64G的內存。一般的普通用戶或者家用電腦無法滿足這個配置需求，他們將被排除在系統之外。通過降低扇區大小，可以讓更多相對低配置的設備參與到早期網絡。Filecash技術方案核心邏輯是在于降低生態的參與門檻，讓大量的閑置的設備，還有家庭的客戶能夠參與到網絡，給網絡提供共識。強壯的共識能為生態保駕護航，強壯的共識底層能為生態吸引更多開發者和使用者，活躍的生態才能為礦工提供穩定的挖礦收益，穩定的挖礦收益促進更多礦工參與到挖礦行為中，生態形成良性循環。

Filecoin的預期共識機制相當于在PoS基礎上引入復雜證明過程，在太空競賽第一階段中表現出的網絡性能令人擔憂，以至于交易手續費激增，脫離了實際應用場景。針對TPS不足，內容無法有效審查等問題，Filecash調整了共識機制采用了：DPoSPoRepPoSt混合共識。網絡圍繞礦工開展一系列經濟活動，礦工作為底層支撐提供共識和Token；DPOS節點作為核心承載，提供可靠的高TPS和網絡可用性。同時，Filecash針對虛擬機、跨鏈、預言機等多個組件進行重新設計和優化，使Filecash網絡能夠無縫的與ETH\DOT\BTC等成熟區塊鏈進行交互，解決區塊鏈間應用生態互通困難的問題。

分布式存儲領域新格局

Filecoin早已聲名在外，而Filecash作為后起之秀能否撼動Filecoin還未可知。但是在Filecoin團隊與社區礦工的紛爭之下，關于分叉的聲音越來越盛。可以預料的是，隨著Filecoin主網上線，分布式存儲領域會冒出許多新面孔，它們會探索和Filecoin不一樣的道路。

與其說，Filecash是在向Filecoin發起挑戰，不如說Filecash是在為分布式存儲領域探索新的可能。

畢竟，歷史沒有記住第一個吃螃蟹的人，卻記住了螃蟹的美味。

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