Filecoin的研究视角 | 第二部分

​在第一部分中 ，我们追溯了分布式账本技术的现代实现的知识和技术历史。现在，让我们来回顾一下 Filecoin 发布前后的技术前景：

后比特币时代的前景

比特币的到来使分布式账本技术的发展迅速蓬勃发展，开创了现代区块链时代。在此期间，基础技术和基础应用领域都出现了许多创新。

比特币的实际突破是其工作量证明共识算法，该算法创建了一个可靠的系统，用于管理和跟踪分布式系统中的令牌所有权。这是一个类似于打破四分钟行驶障碍的里程碑：一旦确定切实可行的解决 Byzantine General 问题的可行方案，区块链开发人员便立即开始对共识问题进行进一步的创新。

Peercoin 是一个结合了股权证明共识协议的区块链，于 2012 年首次亮相，引入了比特币工作量证明协议的替代方案。在权益证明共识中，选择新区块的矿工部分是基于他们对网络投资的某种衡量标准（例如，资历或代币持有量），而不是基于解决基于证明的计算密集难题的选择。

工作系统，减少浪费在比特币采矿上的资源是区块链创新者的另一个目标。例如，2013 年推出的 PrimecoinPeercoin 的创始人以工作量证明协议为基础，该协议执行（略微）有用的工作：搜索质数。Permacoin 于 2014 年 5 月发布，是一项学术建议，旨在围绕长期数据存储而非计算来构建工作量证明机制，但是它存在严重的局限性，要求在整个生命周期中使用一组固定的数据使用该设计的区块链。

基于工作证明共识协议（Ethash）推出的以太坊（白皮书，2013年）；该网络打算在 Eth 2.0 中的权益证明协议。以太坊明确地为区块链网络作为去中心化应用程序平台的潜力奠定了基础，帮助创建去中心化文件存储市场，以及其他新的区块链应用程序。

以太坊的区块链即平台模式创建了一个充满活力的第三方 dApps 生态系统（去中心化的应用程序），并激发了一些关于去中心化网络（包括Filecoin）能够支持的应用程序类型的创造性思考。

2014 年 Filecoin 白皮书

Filecoin 的第一个版本于 2014 年发布，它是一种加密货币和文件存储网络，能够将数据存储外包给服务提供商的分布式网络。Filecoin的目标是使数据广泛而廉价地可用，并重新部署浪费的计算资源来执行有用的工作。

要实现这一设想，就需要在网络的协议和服务层进行创新，Filecoin 在概念上的主要进展之一是使通过协商一致进行的有用工作与网络的目的有关：存储和检索文件。

在 2014 年的提案中，Filecoin 有用的存储服务是建立在比特币式的工作证明共识之上的：除了解决密码难题，Filecoin 矿工还将完成一个可检索证明，以确定他们存储的是一个特定文件。

2014 年的白皮书指出，工作证明的加入并不是最优的，并提出了从 Filecoin 协议中删除工作证明共识的建议。在接下来的几年里，这一设想形成了 Filecoin 证明系统的大部分工作的基础。

2017 年 Filecoin 白皮书

2017 年，协议实验室发布了 Filecoin，这是 2014 年的白皮书中首次设想的分散式存储网络和市场。2017 年 Filecoin 建筑在 2014 年前身的基础上，引入了几个重要的概念和技术进步：

发展生态系统

2014 年到 2017 年期间，Filecoin 网络在概念上的最大进步之一是通过一项不同的协议实验室技术实现的：IPFS（一种在分布式文件系统中存储和共享数据的点对点超媒体协议）在 2015 年发布。IPFS（白皮书）是对内容寻址实际用途的概念证明:通过内容（通过哈希指纹）引用数据，而不是通过其在网络中的位置引用数据。

IPFS 中的内容寻址允许对等点在本地交换数据（以Filecoin存储模型为中心的数据访问分散的一个重要组成部分），而无需连接到中心集线器。与 IPFS 的合作也有助于 Filecoin 开发者获得有关市场结构和激励机制以及隐私保护方面的数据和直觉。

IPFS 的存在以及以太坊的存在，以太坊是一个支持需要分散存储的应用程序的充满活力的智能合约平台，也创造了 Filecoin 的市场需求。据此，2017 年白皮书构建了 Filecoin 模型的密码经济基础（稍后在本报告中详细阐述），正式将 Filecoin 网络描述为分散存储网络，并引入了可验证存储和检索市场的概念。这些创新使 Filecoin 成为一个在开放市场中相互作用的技术社区的一部分。

除了创造性地思考 Filecoin 在分散式服务的更广泛经济中的地位，这一时期也看到了对核心 Filecoin 技术的重大重新设想。通过对证明系统和共识机制所做的修改，我们可以了解在此期间对《Filecoin 协议》所做的改进的程度：

Filecoin 证明系统

2017 年的 Filecoin 结构描述了两种新的存储证明：复制证明（PoRep）和时空证明（PoSt）。这些证据是基于 Juels、Kaliski、Shacham和Waters在可证明数据拥有（PDP）和可检索性证明领域的工作，以提供更好的保护，防止 Sybil 攻击、外包攻击和生成攻击。

Filecoin 的 PoRep（复制证明）允许存储提供商（Filecoin网络上的矿机）验证地证明它们在物理独立的位置存储数据副本。Filecoin 的 PoSt（proof-of-spacetime）算法用于证明在约定的时间段内存储了一个特定的数据副本。时空证明算法作为本质上有用的工作证明的基础，这是 2014 年 Filecoin 白皮书明确提出的目标之一。

Filecoin 证明系统的研究还包括优化在区块链中存储证明的方法。Filecoin 使用 zk-SNARK 技术以紧凑的格式发布 PoRep 和发布 on-chain。零知识简洁的非交互知识论证（zk- snark）是一种可公开验证的有效系统，它通过不变大小的单个消息来证明某件事的真实性，而该消息不暴露所讨论信息的私有部分。

重构共识

Filecoin 协议的核心进步之一在于它的共识机制——网络节点对网络状态的一致方式。与比特币风格的共识相比，Filecoin 共识具有两个效率优势：它的运行能耗比比特币低；该协议鼓励能源“重新获取”，作为为真正的客户提供经过加密验证的真实数据云存储的副作用，而不是直接花在区块链维护上。

目前的 Filecoin 共识也代表了 2014 年 Filecoin 白皮书中描述的系统的创新。2017 年的 Filecoin 提议提出了一个基于有用工作的共识协议，在这个协议中，被选创建新块的矿工的概率与他们的活动存储相对于网络的剩余部分成正比。

这个新的共识协议旨在鼓励采矿者投资存储电源，调整他们的激励与网络的目标，并允许存储验证计算被重新使用，以参与共识，提高系统的效率。矿工提交给网络的时空证明可以用来计算矿工的功率，使得 Filecoin 中的功率公开且可公开验证。

PL 技术报告电力容错根据更适用于电力在 Filecoin 网络中工作方式的框架对 Byzantine 容错（本质上是对分布式系统对Byzantine General问题敏感性的一种度量）进行了建模。

这种对权力的新理解被 Filecoin 的“预期共识”（Expected Consensus）所使用，该协议通过秘密领导人选举来选择矿工，通过开采新区块来扩展链条。领导人选举在 Filecoin 建立在现存的协议 PoA，Snow White 和 Algorand 来选择矿工基于权力承诺的候选人历史。

这些技术进步的共识是由大量的概念在 cryptoeconomics 工作，特别是激励对齐：Filecoin 领导人选举及其块奖励系统基于有用的工作创造一个激励制度调整矿工和客户，与网络的目标：提供有用的存储空间。

《2017 年 Filecoin 白皮书》的发布加速了 Filecoin 的研究，这种活力贯穿了整个发行前阶段：

准备启动

2017 年白皮书和 2017 年研究路线图列出了几个需要继续研究的领域。尽管这些发现改进 launch-critical，单一的工作秘密领导人选举，改善系统如缩放 proofs-of-replication 证明，和 SNARK 优化帮助加快代 zk-SNARK 证明是活跃的研究发布和发布之间的时期。

除了优化现有协议进行优化之外，白皮书还包括建议延长 Filecoin 功能：Filecoin 团队提出了建立一个类似于 Bitcoin Lightning Network 的支付网络，可能将 Sprites 系统的特性,和实现系统的智能合约：有状态的程序，用户可以通过区块链与总帐。

当然，还有许多 2017 年发布的出版物没有预料到的 pre-launch 的进步：ResNetLab 对 Filecoin 的消息传播协议进行了重大改进，以保持节点同步，避免分叉，并加强网络抵御最具挑战性的攻击。也许在这段时间里网络的一个更重要的改进是 drand 随机信标的加入，它利用一个分散的网络来产生公开可验证的，无偏见的随机。

drand 项目起源于 EPFL 的 DEDIS 实验室，是可扩展的抗偏差分布式随机性研究的结果，现在是 Filecoin 领导人选举的重要组成部分。

Filecoin 需要高熵、无偏见、可公开验证、不可预测的随机性来进行领导人选举，决定哪个矿工将产生下一个区块的区块链，并获得该区块的奖励，以及 PoRep 和 PoSt 的生成。Drand 提供了这种“良好的随机性”，允许Filecoin保证活性（客户对Filecoin区块链历史的一致意见）和可验证的存储。

构建未来

Filecoin 网络在 2020 年 10 月出现在区块链的领域，为新生的 Web 3.0 空间引入了令人兴奋的新技术配置和激励机制。但是，仅仅因为 Filecoin 在现实世界中胜利，并不意味着构建安全和高效数据存储技术的工作已经结束：研究人员已经开启了 Filecoin 开发的一个新阶段，在这个阶段中，真实世界的数据被整合到研究和部署周期中。

预测和塑造一项新技术的发展轨迹是一个复杂的过程。协议实验室的研究人员，包括 CryptoLab、ResNetLab 和即将形成的 ConsensusLab 的成员，以及更广泛的研究团体，对未来可能有趣的研究领域有一些想法：

• zk-SNARK 是目前积极研究的焦点，包括使用 SNARK 聚合技术和设计新的矢量承诺方案，以降低 Filecoin SNARK 中 Merkle 树的成本。研究重点包括为 SNARK 设计更好的系统，涉及多方计算（MPC），一种技术，允许网络中的几个节点在他们的输入上共同计算一个函数，同时保持这些输入的私有。
• VRF 允许公开可验证的确定性承诺。在 Filecoin 中，VRF 被用作系统的一部分，用于验证矿工所存储数据的完整性。Filecoin 中产生的每个块都包含从两个随机源（VRF和drand随机信标）提取的值。矿工提交关于其存储数据的证明，包括在特定时期添加的随机引用，确保矿工在特定时间点生成证明。未来的 VRF 工作将改进随机生产系统。
• VDF 保证给定一些硬件假设和一小部分要求的随机延迟。VDF 在公共随机性信标、共识协议的领导人选举和复制证明中发挥作用。在 Filecoin 规范中，VDF 目前还没有实现，但它是一个活跃的研究领域。
• 深度鲁棒图 是一种有向无环图结构形式，在 Filecoin 的复制验证步骤中产生，原始数据被编码到一个副本并提交给区块链。在 DRG 上的工作是正在进行的证明系统和图结构研究的一部分。
• 向量承诺 是 Filecoin 可验证的分散存储模型的一个重要组成部分，而新的向量承诺技术是 CryptoLab 研究的一个活跃领域。
• BLS 签名 是数字签名的一种形式：一种验证数字数据真实性的方案。drand 随机性信标利用阈值 BLS 结合参与者独立产生的独立部分签名来联合计算签名。安全协同计算是不可偏性的一个重要组成部分，也是未来研究的一个课题。

当然，这并不是 Filecoin 项目未来研究方向的详尽清单。正如密码专家、区块链专家 Dan Boneh 在他的 Filecoin Liftoff Fireside 聊天中指出，区块链是“部署加密工具的一个惊人的试验场”，部分原因是“区块链的变化速度要快得多”。

我们研究界的人很高兴能够推动将加速 Filecoin 网络发展的突破。但真正的技术加速器将是Filecoin正在被更广泛的 Web 3.0 社区广泛采用，将研究与现实联系起来，以创造新的技术和应用程序。

End

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