星际联盟解读 Filecoin中的WinningPoSt是什么？区块奖励是如何产生的？

概述:

WinningPoSt是Filecoin网络奖励存储提供者的机制，旨在构建一个安全、高效、可靠地分布式存储网络。

Winning代表出块权，Post就是在获得出块权时需要提交的时空证明。当存储提供者通过EC共识的leader竞选算法成功赢得出块权后，便要进行WinningPoSt挑战。WinningPoSt挑战的答案必须在短时间内提交，使得存储提供者来不及通过密封找到挑战的答案，以此保证挑战者存储了指定数据副本。证明答案会放进区块中，每个成功创建区块并被主链认可的存储提供者会得到FIL奖励，并且在区块中打包消息，可以收取其他Filecoin参与者的费用。如果存储提供者未能及时提交时空证明，便会失去本次打包区块的机会，但不会受到任何惩罚。

本文将详细分析Lotus代码中WinningPost以及EC共识的设计。

源码分析

(基于Lotus v1.11.1)

1. 启动

使用lotus-miner init初始化一个miner，该miner将主要负责两个任务，一个是worker的调度，另一个Mining协程就是负责出块（WinningPoSt）。

2. m.mine()

type MiningBase struct {

   TipSet     *types.TipSet

   NullRounds abi.ChainEpoch //从Base到当前高度,没有产生区块的轮次数

}

go  m.doWinPoStWarmup()   //唤醒WinningPoSt,log记录本次唤醒时长

For {

  For {

    •Prebase = GetBestMiningCandidate   //获取最优Tipset

    •如果base和prebase的高度、nullrounds相同，则退出循环进行出块   //如果此时拿到的不是最优Tipset，出块会形成孤块

    •waitFunc   //等待一个网络传播延迟

    •api.BeaconGetEntry(prebase.TipSet.Height()+prebase.NullRounds+1)  //等待能够获得最新回合的随机信标

    •Base = prebase 

  }

  b = m.mineone()    //竞选Winner

  SyncSubmitBlock(b) //将新创建的区块通过PubSub同步到网络上

}

首先，Filecoin是一个由Tipset组成的链，一个高度对应一个Tipset，Tipset包含了对应高度生成的区块，目前一个高度预期出块数约为5，如果在一个高度没有人出块，则称为空Tipset。

Mine函数使用了两层循环，里面一层是为了获取最优Tipset，最优Tipset是指从当前轮次向前推，上一个非空的完整的Tipset，称为base，每有一个空Tipset，base.NullRounds加1。但由于产生空Tipset（即在该轮次全网没有人出块）的概率非常低，一般情况下NullRounds值为0。外层是获取最优Tipset后开始竞选Winner，竞选的成功率基于泊松分布，如果竞选成功并创建区块同步到网络上，该区块被主链认可后，便能得到FIL奖励。

3. m.mineone()

//获取Base的基本信息，包括Miner和全网算力、需要抽取的sector信息、用于生成随机数的Beacon

MinerGetBaseInfo() 

       //获取900个高度前的Tipset

       GetLookbackTipSetForRound 

computeTicket()

       //依次写入base回合随机信标、加密类型、上一轮次和Miner地址计算Hash

       Store.DrawRandoness

       ComputeVRF  //使用私钥给Hash值签名，生成一段可验证的VRF输出

IsRoundWinner()

       //依次写入本轮的随机信标、加密类型、当前轮次和Miner地址计算Hash

       Store.DrawRandoness 

      //若某Miner成功赢得选举提交区块，其他Miner可以通过提交的VRF输出判断winner是否符合条件

      ComputeVRF 

      //计算赢得的奖励数，算法基于泊松分布

      ComputeWinCount(MinerPower,NetworkPower)

      //抽取一个Sector,并计算该Sector上的66个叶子的CommR

      ComputeProof()

api.MpoolSelect() → CreateBlock() //从消息池中挑选一些Message打包成区块

MinerGetBaseInfo获取用于出块的基本信息，需要注意的是其中GetLookbackTipSetForRound获取了900个高度前的那个Tipset，因为此时可以认为该Tipset在链上的状态是稳定的，几乎不可能处于分叉链上。用于出块的Miner算力、全网算力、抽查扇区和worker均是基于900个高度前的Tipset，而不是当前的情况。

其中抽查扇区逻辑使用cgo调用rust函数generate_winning_post_sector_challenge实现，具体如下：

let mut hasher = Sha256::new();

hasher.update(AsRef::<[u8]>::as_ref(&prover_id));

hasher.update(AsRef::<[u8]>::as_ref(&randomness));

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

let hash = hasher.finalize();

let sector_challenge = LittleEndian::read_u64(&hash[..8]);

let sector_index = sector_challenge % sector_set_len;

其将prove_id、随机数和抽查扇区类型做sha256的hash计算，计算结果与扇区数取模，得到结果就是抽查的扇区ID。

这里选择抽查扇区ID时引入了随机数，随机数的生成基于DRand协议。DRand是一个公开的可验证随机信标协议，使用基于BLS的(t,n)-阈值签名方案。简单来说，就是生成n份签名，只需要收集到其中t份签名就能重构出完整的BLS签名，Filecoin使用blake2b散列算法将签名转换为一个256bit的字符串。drand轮数和Filecoin高度之间存在映射关系，在winning竞选前，MinerGetBaseInfo函数以当前高度和base高度为入参，得到相对应的DRand轮数来获取随机信标。如果DRand信标中断则会打断Filecoin区块的产生，期间Miner只能发布空块。不过DRand分发恢复后会快速产生drand值赶上当前回合，从而快速的恢复Filecoin区块生产。

ComputeTicket得到的Ticket存放到创建的区块中，用于该区块在Tipset中的排序，Ticket最小的优先级最高，其打包的消息会被优先执行。

ComputeProof会调用Rust函数fil_generate_winning_post生成时空证明。该函数也引入了随机数，以从上述ID对应的扇区抽查随机的66个叶子节点，验证是否可以正确计算出CommR和Merkle树根。

EC共识

区块链世界中，千千万万个Miner夜以继日的工作为的就是取得出块权，分配出块权的机制称为共识，像Bitcoin使用的是PoW工作量证明，谁先算出哈希难题，谁就有权出块得到奖励。

上面的mineone代码逻辑中包含了Filecoin中最为重要的共识协议称为EC共识(Expected Consensus)。EC共识采用非交互的方式来选举leader，即每个节点私下进行运算，如果运算成功，提交一个证明即可。在每个Epoch开始时，所有的存储提供者都会运行一次leader选举，选举中它们做的是同一道题，计算量不大，只是每个人的参数不同，预期指定数量的参与者代入参数后答案不为0，竞选成功获得出块权。EC共识保证了竞选获胜者是随机的，获胜的几率仅仅与他们自身的算力大小相关，目前每一轮全网预期获胜数为5，并且EC共识的计算量很小，是一个绿色环保的共识机制，使得存储提供者更愿意投入存储空间而不是计算力。

1. 泊松分布

X服从参数为λ的泊松分布，则概率分布为

期望E(X)= λ，λ很小时的泊松分布图像如下

2. ComputeWinCount函数

Lhs  = blake2b.Sum256(ep.VRFProof).Int   //获取一个随机数，位于[ 0, 2^256)

λ = power/totalpower * 5  //λ很小时,泊松分布图像如上图所示

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；

代码的逻辑是当Lhs>=Rhs(j)或j>=15时退出循环， Wincount = j

不难理解，wincount=0概率为p(0)，以此类推，wincount=i的概率为p(i)

∴ Wincount ~ P(λ)

3. WinCount

E(Wincount(p)) = λ = p/t  * 5

矿工的算力越大，获得的Wincount期望越高

E(Wincount(2p)) = 2p/（t+p）∗5≈2p/t∗5=2E(Wincount(p)) 

由于单个矿工的算力相对于全网总算力非常小，所以wincount的期望与矿工的算力线性相关，矿工拆分算力获得的奖励和不拆分获得的奖励几乎是一样的

又设单个旷工算力为Pi ，则全网wincount总期望为

所以每个Epoch全网预计wincount为5

4. 出块率

当Wincount≠0时，Miner便能获得出块权。Wincount >0时，Miner虽然只出一个块，但可以获得多份奖励，Wincount的和会被计入Tipset的权重中

9月8日全网总算力为10.4388EiB，得出块率和算力的关系图像如下

当Miner算力小于500PiB时，出块率和算力大小几乎成正比，每PiB获得出块权的概率约为0.00046。随着全网算力持续增长，单P出块率正持续下降。以8月8号为例，当日全网算力为8.77EiB计算得当日单P出块率为0.00054，仅仅一个月的时间，单P产量就下降了15%，另外当前全网存储总量已经超过了基线要求，有效算力高速增长致使出块的奖励也在减少，所以越早加入Filecoin网络，获取的收益率越高。

5. 共识错误惩罚

出于利益，存储提供者可能会选择无视共识协议，试图分叉链，影响协议的公平性。为此，Filecoin为共识错误攻击设置了相当严重的惩罚。

如在同一个区块高度连续发布多个区块，就可能触发共识攻击惩罚。根据合约ReportConsensusFault，一旦出现共识错误攻击，所有网络节点均可报告，检验属实将会导致攻击者接下来7.5个小时不能出块，pre消息不能上链，并扣除一个区块奖励，举报者可以获得惩罚的1/20。

总结

Filecoin中每30秒存储提供者竞争一次出块权，全网预期赢得的区块奖励数为5。每个存储提供者出块的几率仅与自身的算力大小相关，当算力小于500PiB时，出块率和算力大小几乎成正比。此外，存储提供者拆分算力和不拆分获得的奖励几乎是一致的。获得出块权后需要对一个随机扇区的随机66个叶子节点进行验证，并挑选消息打包区块同步到网络上，被主链认可后便能获得区块奖励。

Filecoin使用了绿色环保的EC共识机制，有效的激励存储提供者积极封装算力，为分布式存储的未来不断添砖加瓦。而目前单P产量正处于快速下降中，对于存储提供者来说，越早的加入Filecoin网络才能获得更高的收益率，而对于整个项目来说，这表明正有越来越多的人参与到Filecoin网络的建设，有助于项目的长期发展和价值提升，未来的局面也越发令人期待！