Filecoin 技术原理

Filecoin 是一个点对点的分布式文件存储网络，通过经济激励保证文件的可靠存储。用户支付FIl代币进行文件存储，存储矿工通过存储文件赚取Fil奖励，矿工需要持续提供存储证明。

Filecoin工作原理

网络

Filecoin是一个分布式的点对点网络，节点之间可以传送blocks和messages信息。

节点

节点之间可以同步和验证区块链，并验证每个块的信息，并提供全局状态。节点可以管理Filecoin钱包并接收Fil。

节点可以广播不同的Messages, 例如发送FIL到另一个地址； 存储或检索文件的交易。

矿工

矿工主要提供存储和检索服务，并且每30s生成一个块。矿工需要生成相关存储证明，需要较高的硬件配置。

Deals

主要有两种：存储交易和检索交易。当矿工存储数据后，需要向链上重复提供数据一直在存储的证明，否则会受到惩罚，损失FIL。数据检查在链下执行，用户通过支付道通增量支付接收的数据。

证明

矿工需要提供两种证明：

（1）存储了用户的完整数据；

(2) 在整个交易(deal)生命周期一直在存储数据；

前一种采用PoRep（Proof of Replication）证明，矿工可以编码存储的数所与它们的物理存储相关，其它的矿工无法复制（对于两个deal, 同一个数据不能使用同样的磁盘存储）。

在整个交易的生命周期内，矿工采用PoSt (Proof of Spacetime)证明其始终存储数据，主要采用随机抽查部分数据的方式。

其它的矿工会持续验证每个区块中证明的有效性，保证安全性，惩罚作恶矿工。

Gas费用

交易的Gas费用一部分销毁，一部分作为矿工奖励。

Actors

Actor类似EVM中的智能合约，主要用来管理状态，例如账户余额，任何对Filecoin状态的改变需要由Acotr触发。

地址

Filecoin有四类地址，主要为：

• 0 ID Address, 示例： f033259
• 1 SECP256K1 公钥地址，示例： f1abjxfbp274xpdqcpuaykwkfb43omjotacm2p3za
• 2 Actor地址，账户创建输出的sha256哈希值，与公钥无关， 示例：f2plku564ddywnmb5b2ky7dhk4mb6uacsxuuev3pi
• 3 BLS公钥地址， 以f3开头。

Filecoin上交易

FIL 转账

使用send 命令进行FIL转账

# lotus send --from=<sender address> <target address> <FIL amount>
lotus send --from f1zp2... f15zt... 3.141

数据存储

（1）用户将数据打包中CAR文件；

（2）用户发起存储deal, 然后由矿工确认；

（3）用户数据线下传送给矿工；

(4) 存储deal上链；

（5）矿工将数据置于sector， 然后封装，生成PoRep证明，证明再上链；

数据检索

(1) 用户根据 CID 对存储矿工提出检索请求；

（2) 当矿工确认后，用户发起检索的deal;

(3) 当用户接收到数据后，验证其正确性，然后支付费用。

lotus client retrieve --miner <miner ID> <Data CID> <outfile>

当前Lotus只支持用户直接向存储矿工检索，未来计划支持独立的 矿工检索，采用DHT等技术实现。

存储验证

PoRep

（1）构造 Sector

用户首先需要将存储的文件转换为IPLD DAG, 然后再序列化为CAR文件，填充成为一个Filecoin Piece。 Piece有一个CID， 作为CommP (Piece Commitment)。

当发起存储交易时，交易由CID和其它的一些存储数据的相关参数创建，还有用户和矿工的身份信息。

lotus client deal <data CID> <miner> <price> <duration>

用户将交易（Deal Proposal）发送给矿工。当矿工确认后，用户再将数据发送给矿工。矿工验证数据和CID匹配后，再将交易发布到区块链上。

矿工将多个Deal Proposal (可能来自不同的用户)中的Piece组装成 Sector, Sector中Filecoin中的基本存储单元，具有不同的大小。

当Sector填满的时候，矿工计算其数据的承诺 CommD , 代表所有Piece CID的根节点。

(2) 数据封装 (Seal)

数据封装将 `Sector` 经过一系统图和Hash处理生成一个唯一的复制，其Merkle树的根为 `CommRLast`。

CommRLast和 CommC (证明生成过程中的另外一个Merkle树根) 通过Hash生成 CommR (Commitment of Replica)，作为复制的承诺。

 `CommR`会记录在区块链上； `CommRLast`由矿工秘密保存，用于随后的PoSt证明中。

 数据封装的编码过程必须计算复杂，并且速度慢，以防止矿工作弊。

 采用zk-SNARKs可以压缩封装编码的验证过程，PoRep证明在链上存储，网络节点都可验证。        

PoSt

   矿工只需要运行一次PoRep证明其完整存储了数据，但需要持续运行PoSt， 以证明其始终在交易的生命周期中始终存储了数据。

   PoSt 利用`replica`, 密秘输入`CommRLast` 和 公开输入`CommR`构建。

   PoSt根据随机挑战选择部分编码的叶子节点数据，利用`CommRLast` 和公开的`CommR` 证明数据存储的有效性。

   最后采用zk-SNARK将证明压缩，方便链上验证。

Filecoin协议实现

Filecoin有4种协议的实现：

• lotus， 采用Go开发，功能最完备
• forest, 采用rust开发
• fuhon, 采用C++开发
• Venus， 采用Go开发

硬件配置

Lotus节点配置

• macOS或Linux系统，暂不支持Windows

• 8核CPU, 32GiB RAM, CPU支持SHA扩展针大幅加速

• 足够的存储lotus链的空间，目前每周增加12 GiB

矿工硬件配置

矿工的计算复杂度和sector的大小有关（主网支持的size有32GiB, 64GiB），对于32GiB的sector, 硬件要求如下:

• 最低8核CPU，最好支持SHA指令扩展；

• 最低128G RAM

• 推荐采用GPU加速SNARK计算

• 最低1TiB的基于NVMe的磁盘空间，用于数据封装，缓存Filecoin参数等

• 额外数据存储空间

Filecoin浏览器

• 查看区块高度， 示例： https://filscan.io/tipset/chain?height=608709

• 查看区块，示例： https://filscan.io/tipset/chain?hash=bafy2bzaceccriyuvs7e3bksrjefauekgeltmbfpldsb7whhzobt2s6rfahiim

• 查看消息，示例： https://filscan.io/tipset/message-detail?cid=bafy2bzacedx6t537uslvadh5cllhaablddpmwpoxij25oma4denedu7ozotvs

参考

https://github.com/filecoin-project/venus

https://spec.filecoin.io/

https://ipfs.io/ipfs/QmWimYyZHzChb35EYojGduWHBdhf9SD5NHqf8MjZ4n3Qrr/Filecoin-Primer.7-25.pdf

https://research.filecoin.io/assets/proof-of-replication.pdf

https://research.filecoin.io/

https://proto.school/tutorials

https://docs.ipld.io/#what-is-ipld

https://github.com/multiformats/cid

https://github.com/ipld/specs/blob/master/block-layer/content-addressable-archives.md#summary