摘要：如上圖，驗證過程可以表述為驗證者會按照一定的規(guī)則向礦工提起挑戰(zhàn)，挑戰(zhàn)是隨機生成的，礦工不能提前獲知。三時空證明如圖所示，可以理解為礦工一定時間內(nèi)持續(xù)地生成復制證明和接受挑戰(zhàn)和驗證的過程，并通過這個過程，更新全網(wǎng)存儲算力。

歡迎大家來到第七章，經(jīng)過前章《【Filecoin源碼倉庫全解析】第六章：如何單機部署多節(jié)點集群及礦池設(shè)計思路》的介紹，我們分享了如何在單機部署多節(jié)點集群的知識以及礦池設(shè)計的一些思路。

我們將在本章介紹目前Filecoin工程實現(xiàn)中所采用的復制證明（PoRep）方式與時空證明（PoSt）方式，以及如何參與協(xié)議實驗室發(fā)起的復制證明游戲（Replication-Game）。

Filecoin是一個利用區(qū)塊鏈技術(shù)來實現(xiàn)的去中心化存儲系統(tǒng)，我們都知道，在一個區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，需要保證每個節(jié)點公平有序地按照規(guī)則自行運轉(zhuǎn)，能抵制惡意攻擊，確保整個體系的可信安全。

為此，F(xiàn)ilecoin體系下也需要一個嚴謹?shù)淖C明手段來確保礦工不會在沒有存儲數(shù)據(jù)的情況下謊稱自己存儲了用戶的數(shù)據(jù)，需要礦工憑借他們的存儲能力爭奪出塊資格。

Filecoin系統(tǒng)中的證明算法最初源于存儲證明（PoS）、數(shù)據(jù)持有性證（PDP）和可檢索證明（PoRet），后面逐漸迭代、增強約束條件，才完善為如今工程中所采用的復制證明（PoRep）與時空證明（PoSt），這里分別詳細介紹一下它們的含義：

存儲證明（Proof-of-Storage, PoS）：為存儲空間提供的證明機制。

數(shù)據(jù)持有性證明（Provable Data Possession ，PDP)：用戶發(fā)送數(shù)據(jù)給礦工進行存儲，礦工證明數(shù)據(jù)已經(jīng)被自己存儲，用戶可以重復檢查礦工是否還在存儲自己的數(shù)據(jù)。

可檢索證明（Proof-of-Retrievability，PoRet）：和PDP過程比較類似，證明礦工存儲的數(shù)據(jù)是可以用來查詢的。

復制證明（Proof-of-Replication，PoRep）：存儲證明PoS的一個實際方案，用以證明數(shù)據(jù)被礦工獨立地保存，可以防止女巫攻擊，外源攻擊和生成攻擊。

空間證明（Proof-of-Space，PoSpace）：存儲量的證明，PoSpace是PoW的一種，不同的是PoW使用的計算資源，而PoSpace使用的是存儲資源。

時空證明（Proof-of-Spacetime，PoSt）：證明在一段時間內(nèi)，礦工在自己的存儲設(shè)備上實際的存儲了特定的數(shù)據(jù)。

如下圖所示，這6種證明的定義并不是互斥獨立的，PoS包括PDP, PoRet, PoRep, PoSpace；而PoRep和PoSt是PoSpace的兩種實例，他們之間的定義相互有交叉：

復制證明和時空證明的實現(xiàn)方式?jīng)Q定了 Filecoin 礦機的配置。間接決定 Filecoin 系統(tǒng)的整體成本。Filecoin 提供了存儲和數(shù)據(jù)下載服務兩種服務，系統(tǒng)成本最終決定用戶的使用成本。

如果復制證明和時空證明消耗的資源過多，那么會系統(tǒng)性的提升整個 Filecoin 成本，這會讓 Filecoin 系統(tǒng)的價值大打折扣。

目前所開源的第一版go-filecoin0.1.x系列所采用的是ZigZagDrg和StackedDrg的VDF方式來作為PoRep的實現(xiàn)，官方對此認為仍有改進空間，協(xié)議實驗室也為此設(shè)立了RFPs基金，專門研究該課題，而復制游戲的誕生也是為了更好地讓社區(qū)愛好者提前參與測試和協(xié)助官方優(yōu)化這個部分。

PoRep算法的職能是用來證明一個存儲系統(tǒng)確實存儲了某一份數(shù)據(jù)的拷貝，而且每一份拷貝使用不同的物理存儲，并用來抵御去中心化系統(tǒng)中三種常見的攻擊：

PoRep本質(zhì)是一個加密時間長，解密時間短且證明與驗證過程高效的算法， 這個過程在學術(shù)圈，被稱為可驗證時延加密（Verifiable Time-Delay Encoding Function）：

如上圖，我們假設(shè)這一加密算法的驗證時長是一倍，解密時間大約2-5倍，挑戰(zhàn)有效時間算作10倍，那么這一加密時間大約要1000倍才能在概率上達到99.9%的相對安全。

Filecoin證明機制的角色和過程可以抽象成如下，挑戰(zhàn)者、證明者、檢驗者。他們可以是礦工、用戶或者任何網(wǎng)絡內(nèi)其他角色。涉及的定義包括如下：

挑戰(zhàn)（challenge）：系統(tǒng)對礦工發(fā)起提問，可能是一個問題或者一系列問題，礦工正確的答復，則挑戰(zhàn)成功，否則失敗。

證明者（prover）：一般只礦工。向系統(tǒng)提供證明了完成系統(tǒng)發(fā)起的挑戰(zhàn)。

檢驗者（verifier）：向礦工發(fā)起挑戰(zhàn)（challenge）一方，來檢測是否礦工完成了數(shù)據(jù)存儲任務。

數(shù)據(jù)（data）：用戶向礦工提交的需要存儲或者礦工已經(jīng)存儲的數(shù)據(jù)。

證明（proof）：礦工完成挑戰(zhàn)（challenge）時候的回答。

如上圖，驗證過程可以表述為: 驗證者會按照一定的規(guī)則向礦工提起挑戰(zhàn)，挑戰(zhàn)是隨機生成的，礦工不能提前獲知。礦工作為證明者相應向檢驗者提交證明，證明的生成需要原始數(shù)據(jù)與隨機挑戰(zhàn)信息。證明生成后，證明者會交給驗證者，并由驗證者判定該證明是否有效，如果有效，則挑戰(zhàn)成功。

對于VDF，F(xiàn)ilecoin最初受到了類似Cipher Block Chaining 分組塊加密鏈的啟發(fā)，從而改進和優(yōu)化屬于自己的VDF方式。

我們先看一下CBC的原理:大文件分塊成?d1-d4…

除了c1初始化向量比較特殊，后續(xù)所有文件塊編碼都需要做XOR運算和AES加密，例如c2由c1與d2共同生成，以此類推。這樣在編碼過程就無法并行，從而速度變慢。

再看右邊的過程，是對CBC算法的進一步優(yōu)化，采用的深度魯棒鏈(Depth Robust Chaining)，在分塊上使用了有向無環(huán)圖來做，進一步壓縮了解碼驗證的復雜度，也提高了隨機性。

Filecoin目前工程上的實現(xiàn)是基于前面兩個算法的改進版：ZigZagDRG算法 ，如下圖所示：

原始數(shù)據(jù)data首先依次分成一個個小數(shù)據(jù)（d1-d5），每個小數(shù)據(jù)將被計算出一個散列值（32個字節(jié)），小數(shù)據(jù)本身也將散列值作為加密種子來進行編解碼。這些小數(shù)據(jù)的散列值按照DRG（Depth Robust Graph）建立連接關(guān)系。

數(shù)據(jù)塊的散列關(guān)系將構(gòu)成Merkle Tree結(jié)構(gòu)（類MySql數(shù)據(jù)庫的索引使用B+樹實現(xiàn)）。

這樣是為了在進行挑戰(zhàn)與檢驗的時候，無需針對所有數(shù)據(jù)塊解碼，即可以快速驗證，也更好地抵御了攻擊性。

例如：樹根即為副本的哈希，系統(tǒng)或者用戶隨機發(fā)起挑戰(zhàn)，位置d5，礦工只需計算d5到根節(jié)點root的路徑，輸出一個證明給發(fā)起挑戰(zhàn)的驗證節(jié)點。

至于VDF中每個數(shù)據(jù)塊的單元加密，如下圖所示，應用到了BLS12-381來進行單元編碼與解碼：

（源碼路徑：https://github.com/filecoin-p...）

BLS12-381是一種Zcash中所用的新型zk-SNARK 橢圓曲線的構(gòu)造加密算法，隸屬于Bellman庫，由Rust語言所實現(xiàn)，它的特點是小巧易用，能快速驗證。Bellman的目標是讓普通程序員更加簡單地使用zk-SNARKs。

散列函數(shù)由于需要適應于SNARKS，目前沿用了Zcash中的Pedersen（Blake2、SHA256也在做實現(xiàn)和選擇）：

整個PoRep的計算過程分為若干層 （目前在Filecoin中設(shè)置為4層，在復制游戲項目中設(shè)置為10層） ，每一層的DRG關(guān)系的箭頭方向是互斥的，上一層向右，下一層就向左，因此得名ZigZag（Z字型），數(shù)據(jù)解碼過程中，每一層之間互不依賴，即可并行執(zhí)行，相對于串行編碼要更為快速。

綜上，這樣就實現(xiàn)了PoRep的本質(zhì)：編碼快，而解碼和驗證證明快的效果，從而防范各種攻擊。

如圖所示，PoSt可以理解為礦工一定時間內(nèi)持續(xù)地生成復制證明和接受挑戰(zhàn)和驗證的過程，并通過這個過程，更新全網(wǎng)存儲算力。

挑戰(zhàn)者在PoRep循環(huán)重復執(zhí)行的i輪，輸入一個隨機挑戰(zhàn)參數(shù)c，之后，挑戰(zhàn)參數(shù)C會被鏈式遞歸計算，即上一次的輸出作為下一次的輸入，直到T時間內(nèi)，最后一次的結(jié)果作為PoSt的證明，接受反向驗證。

很明顯，不正當?shù)牡V工如果沒有老老實實執(zhí)行PoSt，是無法反推出C的。

如下圖所示，目前，go-filecoin中所定義的閾值是：每隔20000個區(qū)塊（平均6天左右），存儲礦工必須提供一次PoSt（Proof of Space Time)的證明，表明仍存有用戶數(shù)據(jù)的證明。與此同時，存儲市場（上帝）會每隔100個區(qū)塊（平均50分鐘），去對PoSt發(fā)起證明驗證，以判斷是否需要下發(fā)懲罰。

（源碼路徑：https://github.com/filecoin-p...）

Filecoin Proving Subsystem（FPS）是Filecoin體系中所有證明算法的工程實現(xiàn)，由于底層依賴Bellman庫的原因，完全由Rust編寫，源碼倉庫地址:https://github.com/filecoin-p...

FPS在設(shè)計之時，十分注重解耦性：filecoin-proofs實現(xiàn)了為go-filecoin提供存儲證明的接口，并依賴其他兩個模塊：storage-proofs（存儲證明生成與驗證的模塊）和 sector-base （扇區(qū)控制模塊）。

這兩個模塊又依賴于storage-backend中間件實現(xiàn)存儲控制和消息轉(zhuǎn)發(fā)。

關(guān)于FPS的其他細節(jié)導讀，這里推薦李星前輩的一篇文章：

星想法：Filecoin - PoRep和PoSt算法源代碼導讀

之后，可以配合官方的rust-fil-proofs源碼倉庫進行閱讀和獲取最新的變動：

github：rust-fil-proofs

關(guān)于PoRep和PoSt的推演論證過程，想深入了解的童靴可以對照這兩篇論文進行剖析：

PoReps: Proofs of Space on Useful Data

Ben Fisch：Tight Proofs of Space and Replication

復制游戲是一項復制競賽，參與者挑戰(zhàn) Filecoin 官方提供的默認的復制證明算法（前文提到的VDF），看是否能夠提供更優(yōu)(相對于默認算法)的算法或執(zhí)行結(jié)果。

參與游戲的方法是：通過當前 Filecoin 提供的復制算法(運行或重構(gòu)FPS)，并將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送到 Filecoin 服務器。

如下準備環(huán)境依賴，小編采用的是linux系統(tǒng)，macOS環(huán)境類似，可使用brew包管理工具代替apt。

//安裝Rust
curl https://sh.rustup.rs -sSf | sh

重啟terminal

//切換rust到nightly版
rustup install nightly

//若想自行部署游戲服務端，需安裝PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫
brew install postgresql@10

apt-get install postgresql

//安裝clang和libclang 
apt-get install clang

//安裝pq庫
apt-get install libpq-dev

//下載replication-game源碼
git clone https://github.com/filecoin-project/replication-game.git

cd replication-game

//執(zhí)行編譯
cargo +nightly build --release --bin replication-game

編譯完成后，可在bin/目錄下看到play可執(zhí)行文件：

# 啟動指令：
# bin/play NAME SIZE TYPE

# E.g.

# Zigzag 10MiB
bin/play NAME 10240 zigzag

# Zigzag 1GiB
bin/play NAME 1048576 zigzag

# DrgPoRep 10MiB
bin/play NAME 10240 drgporep

# DrgPoRep 1GiB
bin/play NAME 1048576 drgporep

NAME: 你的游戲玩家名稱

SIZE: 你打算要復制的文件的大小，單位是 KB

TYPE: 你想要運行的算法名稱(目前可選值有： zigzag 和 drgporep)

Play腳本將自動從游戲服務器下載種子，復制數(shù)據(jù)，生成證據(jù)，然后將該證據(jù)發(fā)布到游戲服務器。

Play腳本將通過curl提交游戲結(jié)果：

curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d @./proof.json https://replication-game.herokuapp.com/api/proof

我們可以通過訪問Rank頁面：http://replication-game.herok...，來查看排行。

小編的機型配置：

Processor Name: Intel Core i5

Processor Speed: 3.1 GHz

Number of Processors: 1

Total Number of Cores: 2

L2 Cache (per Core): 256 KB

L3 Cache: 4 MB

Memory: 8 GB

Drg復制證明耗時2.1s/MiB：

ZigZag復制證明耗時11.2s/MiB：

我們的游戲結(jié)果將記錄在proof.json中，可以手動打開proof.json，分析一下證明的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

prover：驗證人。

seed：游戲種子，加密Key。

proof_params：證明配置項。

proof：證明數(shù)據(jù)塊關(guān)系。

tau： 一棵或者多棵Merkle樹的樹根都稱為tau，每一層的輸入稱為d（data），每一層的VDE的結(jié)果稱為r（replica）。

comm_d：每一層的輸入構(gòu)建的默克爾樹根為comm_d。

comm_r：每一層的輸出構(gòu)建的默克爾樹根為comm_r。

comm_r_star：每層comm_r的數(shù)據(jù)和replica id數(shù)據(jù)散列計算后的結(jié)果。

通過查閱Proof.json的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也可以幫助大家更好地理解2.4所述內(nèi)容。

從硬件和軟件方面優(yōu)化：增加硬件配置，更快的 CPU 更大的內(nèi)存(RAM)，或者使用其他的替換方案比如使用 FPGA, GPU, ASICs 等更擅長進行深度計算的硬件。另外你可以優(yōu)化你操作系統(tǒng)的一些參數(shù)設(shè)置，比如 IO 參數(shù)等。

從算法方面優(yōu)化：你可以不使用 Filecoin 給你提供的默認實現(xiàn)算法，自己設(shè)計一種新的能夠更快生成存儲證明的算法，比如打破順序假設(shè)， 生成存儲更少數(shù)據(jù)的證明，打破 Pedersen 哈希等。

當然，光追求Rank數(shù)據(jù)是無意義的，PoRep和PoSt的時延在Filecoin體系下，只是影響存儲效率的一個因子而已，對于礦工來說，需要追求的是綜合性價比。

https://github.com/filecoin-project/replication-game

https://z.cash/blog/bellman-zksnarks-in-rust/

【Filecoin源碼倉庫全解析】第一章：搭建Filecoin測試節(jié)點
【Filecoin源碼倉庫全解析】第二章：如何創(chuàng)建賬戶錢包并獲取FIL Mock代幣
【Filecoin源碼倉庫全解析】第三章（上）：存儲提供方（礦工）的配置操作

【Filecoin源碼倉庫全解析】第三章（下）：存儲提供方（礦工）的配置操作

【Filecoin源碼倉庫全解析】第四章：存儲需求方（用戶）的配置操作

【Filecoin源碼倉庫全解析】第五章：檢索市場及檢索礦工

【Filecoin源碼倉庫全解析】第六章：如何單機部署多節(jié)點集群

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