Filecoin 的 EC 原理探索

Filecoin 使用 Expected Consensus 来作为区块链的共识机制，那么这个共识机制跟传统的 PoW，PoS，或者 PBFT 有什么区别呢？

这篇文章就来探索 EC 的原理。

我们知道区块链世界中，最重要的就是出块权，谁获得出块权（也叫记账权），谁就能拿到出块奖励。Bitcoin 中，千千万万个矿工夜以继日的运算争夺的就是这个出块权，它使用的是 PoW 的工作量证明机制，具体来说就是谁先算出哈希难题，谁就有权出块得到奖励。在 PoS、PBFT 或者其他主流共识机制下，目标也都是一样，争夺某一个高度唯一的出块权而获得奖励。在正式的术语中，我们可以把这个具有独占的出块权的成员（矿工）叫做 leader，每一轮的出块争夺中，为了保证账本的可靠性，都有一个唯一的 leader 来进行记账。也就是说，共识的核心就是选择谁来当 Leader。

EC 中采用了非交互式的方式来选举一个 Leader。怎么是非交互式？我们知道 PBFT 中，几个参与选举的人通过互发信息，得到多数票（ 超过 2/3 ）的人就是 Leader，

他们通过一种交互的方式收集投票来完成选举。

而非交互式就意味着，参与的各方根本不给彼此发消息，而是每个节点各自独立私下进行运算。最后某个节点说，我赢得了选举，然后给出一个证明，其他人可以很容易就验证，他确实赢得了选举。很神奇吧！

这到底是什么原理？其实就是零知识证明（ZKP, Zero Knowledge Proof），更具体的是指 zk-SNARK 算法。

但是，关于零知识证明，并不是这篇文章的重点，因为它是一个比较通用的密码学领域算法，并非 filecoin 独有，有兴趣的读者可以搜索相关文章。

这篇文章重点介绍 filecoin 怎么设计实现选举，这是一个比较复杂的过程。

先来看看一个可靠安全的选举需要满足哪些条件，通常需要满足下面 7 个条件：

• Secret， 选举秘密进行
• Fair， 选举必须公平，每个人都有同样的概率被选为 leader
• Single leader，结果必须唯一，最好每轮选举出一个领导人
• Unpredictable，无法预测，防止作弊
• Verifiable，容易验证
• Anti-attack，选举过程必须容错，也就是能够承受攻击
• Efficient，消耗资源不大

可以看到，POW 是目前现实使用中最好的方式，但 POW 最致命的弱点，就是不满足最后一条。它需要浪费大量能源，来达成共识；另外，它不能保证每一轮只有一个领导人，因此会出现链的分叉，必须采用其他规则来进行收敛（比如最长链法则）。

在 EC 中，采用 SSLE（Secret Single Leader Electio）可以避免 PoW 的缺点，秘密选举可以防止攻击，并且公平性也能提高参与者积极性。而且其不仅消耗能源少，还能很好的防止分叉。唯一的缺点就是 EC 暂时无法保证每一轮只选举出一个 Leader，所以会出现一轮中有多个 Leader 的可能，但是通过对 block 赋权重，可以有效收敛。

选举是一个抽象的过程，因为没有一个具体的选举方都参与投票的这么一个过程。

我们知道，PoW 是通过难度来控制出块间隔的，也就是我们说的轮次，每一轮一个区块，大约 10 分钟一轮。在 EC 中，是怎么控制轮次的呢？

答案是 Ticket。每个 miner 在参与选举前，需要先生成一个 Ticket，这个 Ticket 实际上是一个随机数，他需要走一个 VDF 和 VRF 的流程，这个流程是串行的，需要花费一定的时间，并且这个时间无法通过多核并行的方式进行缩减。这保证了每个 miner 产生 Ticket 时必须要消耗的时间，没有人可以通过优化硬件的方式来获得加速。

这也就保证了整个选举过程的公平。

Ticket 的数据结构如下：

Ticket Generation

产生 new ticket 之后，实际上选举结果就已经是确定的了。现在就是自己计算是否已经赢得选举。

这个过程就是比较 miner 自身 power 与总 power 的比值。

这个过程有可能产生多个 winner，这就导致存在多个 miner 同时提交 Block。EC 的处理方法是，把这些 Blocks 都收集起来，放在一个叫 TipSet 的结构中。而如果一个 winner 也没有产生的话，那么某个高度就是一个空块。我们可以看到，Filecoin 链会出现不均匀的现象，但是由于形成了链，并且采用的加权的方式，所以 Filecoin 链会收敛。

另外，我们还注意到，在传统的区块链中，每个高度是一个 Block；而在 Filecoin 中，每个高度是一个 TipSet，这个 TipSet 中可能包含了多个 Blocks。所以实际上 Filecoin 是 TipSet 链。

了解了这些，我们还知道，对于传统的 POS 共识机制来说，有一个重大问题就是无法控制分叉。也就是说，由于挖矿成本低，参与者可以同时挖多个链获取利益。而预期共识对这一点做了设计，那就是通过权重和抵押机制来促使矿工选择一条最好的链，对同时挖多个链的矿工进行惩罚，这样可以非常快速地促进收敛。

具体的惩罚方式就是，如果一个矿工在一轮中提交了两个区块，被另外一个矿工检测出来，那么这个作弊的矿工将会被没收所有的抵押金，其中一半给检测者，另一半收归全网。

另外，爆块的概率与已完成复制证明的存储量成正比，那么除了存储证明，时空证明也十分重要，下一篇文章，我将重点介绍 PoRep 和 PoSt 两个核心的存储证明算法。

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