Filecoin技术文档学习12 共识算法

Filecoin的去中心化存储网络可以建立在很多共识协议上，只要能够实现存储证明的验证功能即可。本节推荐使用Proof-Of-SpaceTime这个机制来实现共识，而不是资源浪费很严重的POW机制。

关于现有共识机制的讨论:

保证区块链的安全性是至关重要的，但是POW通过猜数字的方式虽然解决了安全问题，但是导致了大了的算力浪费，无法重用。

无法重用：POW机制通过反向推测一个hash函数的方式，来确保区块网络的安全性，但是这个计算除了确保网络安全之外，并没有任何内在的价值。有很多方案尝试着复用这种计算能力，比如把一些计算工作夹在POW计算中，而有些则把POW计算转变为寻找大素数的算力，以太网要求POW执行同时要执行一些小的智能合约程序，有的还把算力用于数据的压缩工作。但是所有的这些尝试都无法避免算力浪费占压到性比例的问题。

算力浪费:pow的算法对设备和电力是极大的浪费，尤其是挖矿的算法都是可以并行执行的，这导致更严重的资源浪费。有许多方案尝试着减少这种浪费，比如有一种存储空间挖矿，通过填充垃圾数据到磁盘的方式提高算力，虽然减少了电力的浪费，但是也浪费了磁盘空间。还有一种是改进的拜占庭协议，使用POS投票的方式来根据自己手里的股票多少作为权重，随机选择投票者产生区块。

Filecoin的共识算法:

通过重用有意义的工作量作为共识协议，引导矿机投资于数据存储空间，并鼓励他们将磁盘用于存储有意有价值的数据。

1,算力容错能力: Filecoin重构了拜占庭容错机制。n表示全网所有算力，f表示恶意或者失败节点的算力。Filecoin设计并定义了一个容错能力为(f-n)的算力网络。

2,算力的特点:a,公开:因为每个矿机当前正在使用的磁盘空间全部保存在区块链上，因此所有人都知道矿机当前的算力和总算力；b,可公开检验:因为在之前的章节中我们说过，矿机需要根据Post协议，每隔固定的时间生成一个当前正在存储数据的证据到区块链上，那么这样所有人都可以通过检查Post证据的方式证明矿机的算力;

c,算力不固定：因为Filecoin采用的是当前正在使用的磁盘空间当做算力，因此不同的时刻，会有不同磁盘扇区释放掉或者重新被封存，因此每个矿机的算力在每个时间间隔都不是固定不变的。

通过Proof-of-SpaceTime的方式计算矿机的算力

因为在每一个生成区块的周期，旷工Mi都被要求生成一个存储证明到网络，只有被网络中的大多数验证通过，存储证明才会被添加到区块链上。然后所有Filecoin全功能节点更新磁盘分配情况，并将过期的记录删除和记录失效的分配记录。因此矿机Mi的算力可以通过累加并检验磁盘分配情况得到。

对于全功能节点，因为他拥有所有的交易记录，因此通过累计从创始区块到当前区块的关于Mi的有效磁盘存储就可以计算出Mi的算力

对于轻节点，他可以通过信任的全功能节点读取关于Mi的所有磁盘分配记录，一个关于最新区块的hash树路径，和一个从创始区块到当前区块的区块头信息。通过这种方式轻节点可以把验证Post证据的工作委托网络。

如果一个恶意节点想要伪造自己的算力，就需要伪造自己的存储时空证明，如果要伪造存储时空证明，就需要执行数据的setup阶段，在setup阶段需要伪造数据封存seal操作，并将seal操作的证据上传到区块链上。整套下来其实就是真实的存储了数据。真实的存储了数据就不是恶意算力攻击者了，由此可见Filecoin的算力计算安全性依赖于PoSt协议。而这个协议已经被前面几个章节证明是安全的。

Filecoin通过算力达成共识的方式

把矿机当前的有效存储算作矿机的股份，根据股份每一轮选举一个矿机进行出块，选举的概率与股份的多少成正比，因此这是一种改进的POS机制。叫做预期共识-EC。EC最直观的功能就是通过秘密并无法预测的方式，选举一些在某一个区块时间内的矿机领袖,我们期望最好能够选出1位领袖，但是有时会有0个领袖，有时会有多个领袖。领袖的作用就是在一个出块周期，创建区块并广播到全网。每个出块周期可能有1个或者多个区块被链接到主链上。在没有领袖的出块周期内，一个空的区块被挂在主链上。EC是个概率共识，数据块以DAG的数据结构管理，因此随着区块的增多，主链就会越来越安全，因为主链上累计的大多数人的共识随着链的加长在变多。

共识算法的实现：

矿机通过上面的不等式来确认自己是否是当选的出块领导。其中表达式1是根据当前区块的时间生成一个随机数。表达式2是本矿机的算力在全网中算力的占比。表达1的计算逻辑是:根据时间生成一个随机数，然后对随机数hash，Mi对hash值签名，然后再做一次hash2，将hash2的值除以2的L次方，得到一个0~1之间的数字。

各个变量不再赘述。这个公式有三个特点：

公平:每个参与者在一个区块周期内只有一次被选举机会，所有参数都是确定的无法被操纵的，并且rand(t)在时间t之前是无法被预测的，计算是无法并行的，因此也不会被矿池操控。

私密:恶意矿机是无法伪造其它矿机的签名的，因为他们无法获知其他矿机的私钥

公开可验证的：矿机如果计算自己是胜出者，那么他需要把证据交给全网去验证，而任何都可以验证矿机的算力和他产生的随机数hash值，因此这些公开的数据很容被验证并且与矿机的公钥计算，可以明确对证据进行私钥加密的矿机的身份。