4．Filecoin:一個(gè)DSN架構(gòu)

Filecoin DSN是一個(gè)建立在激勵(lì)機(jī)制上，可審計(jì)、可查證的去中心化存儲網(wǎng)絡(luò)。客戶向礦工支付代幣來獲取數(shù)據(jù)存儲和檢索數(shù)據(jù)服務(wù)，礦工提供存儲空間和傳輸帶寬來獲得回報(bào)。礦工們只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)能夠查證他們在正確提供服務(wù)的時(shí)候才能獲得報(bào)酬。

在本節(jié)中，我們通過DSN的定義和“時(shí)空證明”來梳理Filecoin DSN架構(gòu)。

4.1 設(shè)置

4.1.1 參與者

任何用戶都可以成為、存儲礦工和/或檢索礦工。

• 客戶在DSN中通過Put和Get請求存儲或檢索數(shù)據(jù)，并支付代幣。
• 存儲礦工為網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)存儲。存儲礦工通過提供磁盤空間和響應(yīng)Put請求來參與Filecoin運(yùn)作。要想成為存儲礦工，用戶必須用與存儲空間成比例的抵押品來抵押。存儲礦工通過在特定時(shí)間內(nèi)存儲數(shù)據(jù)，來響應(yīng)用戶的Put請求。存儲礦工生成時(shí)空證明并提交到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，來證明他們在特定時(shí)間內(nèi)存儲了數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)失效或丟失，存儲礦工將被罰沒部分抵押品。存儲礦工也可以挖掘新區(qū)塊。如果挖到了新區(qū)塊，礦工就能獲得挖取新塊的獎(jiǎng)勵(lì)和新區(qū)塊中的交易費(fèi)用。
• 檢索礦工為網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)檢索服務(wù)。檢索礦工通過提供用戶Get請求所需要的數(shù)據(jù)來參與Filecoin運(yùn)作。和存儲礦工不同，他們不需要抵押品，不需要提交存儲數(shù)據(jù)，也不需要提供存儲證明。存儲礦工同樣可以擔(dān)任檢索礦工。檢索礦工可以直接從客戶或者從檢索市場賺取收益。

[[226812]]

4.1.2 網(wǎng)絡(luò)，N

我們將運(yùn)行在Filecoin各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的全體用戶抽象為一個(gè)實(shí)體：網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)作為中介運(yùn)行整個(gè)管理協(xié)議。簡單來說，區(qū)塊鏈中的每個(gè)新區(qū)塊，都由全節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)來管理。網(wǎng)絡(luò)可以管理可用存儲，驗(yàn)證抵押品，審核存儲證明以及修復(fù)可能存在的故障。

4.1.3 賬本

我們的協(xié)議應(yīng)用在基于賬本的貨幣上。一般來說，我們管這個(gè)叫賬本 L。在任意給定的時(shí)間t（也叫時(shí)期）內(nèi)，所有的用戶都能訪問t時(shí)期的賬本Lt，它是這段時(shí)期內(nèi)交易序列的記錄。賬本只能被追加，不能被篡改。Filecoin DSN協(xié)議可以運(yùn)行在任意可驗(yàn)證Filecoin證明的賬本上。在第六節(jié)中我們會展示了如何基于有效工作建立一個(gè)賬本。

4.1.4 市場

存儲的需求和供給在兩個(gè)Filecoin市場相遇：存儲市場和檢索市場。這兩個(gè)市場屬于去中心化交易所，我們第5節(jié)中對其進(jìn)行闡述。簡而言之，客戶和礦工們通過向各自的市場提交訂單來為服務(wù)定價(jià)。交易所為客戶和礦工們提供了匹配交易和牽線的方法。運(yùn)行管理協(xié)議后，如果服務(wù)請求被成功提供，網(wǎng)絡(luò)會確保礦工得到獎(jiǎng)勵(lì)，客戶得到服務(wù)。

4.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

片段 片段指客戶在DSN所存數(shù)據(jù)的某一部分。例如，數(shù)據(jù)可以被隨意劃分為許多片段，每個(gè)片段可以由不同的存儲礦工來存儲。

扇區(qū) 扇區(qū)指存儲礦工向網(wǎng)絡(luò)提供的磁盤空間。礦工將客戶的數(shù)據(jù)片段存儲到扇區(qū)，并以此賺取代幣。為了存儲片段，礦工們必須向網(wǎng)絡(luò)抵押他們的扇區(qū)。

分配表 分配表是一個(gè)數(shù)據(jù)表，記錄數(shù)據(jù)片段的流向和其分配的扇區(qū)。分配表在賬目下的區(qū)塊中都會更新，它的Merkle根存儲在***的區(qū)塊中。在實(shí)際操作中，該表用來維持DSN的狀態(tài)，證明驗(yàn)證的過程中能夠保證快速查找。詳細(xì)內(nèi)容請參考圖5。

訂單 訂單是請求或提供服務(wù)的聲明?？蛻粝蚴袌鎏峤怀鰞r(jià)來請求服務(wù)（分別在存儲數(shù)據(jù)的存儲市場和檢索數(shù)據(jù)的檢索市場），礦工們提交應(yīng)答訂單來提供服務(wù)。訂單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖10所示。市場協(xié)議將在第5節(jié)詳細(xì)介紹。

訂單簿 訂單簿是訂單的集合。存儲市場訂單簿請查看第5.2.2節(jié)，檢索市場訂單簿第5.3.3節(jié)。

抵押 抵押是向網(wǎng)絡(luò)提供存儲（特別是扇區(qū)）的承諾。想要在存儲市場接受訂單，存儲礦工必須將抵押提交給總賬。抵押包括了抵押扇區(qū)的大小和存儲礦工的抵押品（詳見圖5）。

Figure 5: Data Structures in a DSN scheme

4.3 協(xié)議

本節(jié)中我們通過對客戶、網(wǎng)絡(luò)和礦工的介紹，對Filecoin DSN有了一個(gè)整體的概括。我們在圖7中給出了Get和Put協(xié)議的方法，在圖8中給出了Manage協(xié)議，并用圖6給出了一個(gè)協(xié)議實(shí)例。Filecoin整體的協(xié)議概覽請參見圖1。

4.3.1 客戶周期

本節(jié)會簡要介紹客戶周期的概念；下文中各協(xié)議的深入解釋請參考第五節(jié)。

Put：客戶在Filecoin 中存儲數(shù)據(jù)。

客戶通過向礦工支付代幣可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。Put協(xié)議在節(jié)中有詳細(xì)介紹。

客戶向存儲市場的訂單簿發(fā)起投標(biāo)（通過向區(qū)塊鏈提交訂單），就啟動了Put協(xié)議。當(dāng)有匹配的礦工應(yīng)答時(shí)，客戶就可以將數(shù)據(jù)片段發(fā)送給礦工。雙方簽署交易訂單，并將其發(fā)送到存儲市場的訂單簿。

客戶應(yīng)當(dāng)能夠通過提交多重訂單（或者在訂單中指定復(fù)制扇區(qū)）來決定數(shù)據(jù)的拷貝數(shù)量。更高的冗余度可以提高儲存的容錯(cuò)率。

Get：客戶從Filecoin中取回?cái)?shù)據(jù)。

客戶可以通過向檢索礦工支付代幣來獲取DSN中的任何數(shù)據(jù)。Get協(xié)議在5.3節(jié)中有更詳細(xì)的解釋。

客戶向檢索市場的訂單簿投標(biāo)（向網(wǎng)絡(luò)提交訂單），就開始了get協(xié)議。當(dāng)有匹配的礦工應(yīng)答被找到，客戶就會從礦工處得到數(shù)據(jù)片段。收到片段后，雙方簽署交易協(xié)議并提交到區(qū)塊鏈，證明交易已完成。

4.3.2 挖礦周期（對存儲礦工）

我們簡單介紹一下挖礦周期。

Pledge：存儲礦工向網(wǎng)絡(luò)抵押存儲。

存儲礦工通過Manage.PledgeSector在區(qū)塊鏈中存放抵押品，來保證向網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的存儲。抵押品為了保證服務(wù)而存在，如果礦工為所存儲的數(shù)據(jù)生成了存儲量證明，抵押品就會被退回。如果沒有成功生成存儲量證明，礦工就得不到抵押品了。

一旦抵押交易在區(qū)塊鏈中出現(xiàn)，礦工就可以在存儲市場中提供存。礦工們設(shè)置價(jià)格，并響應(yīng)市場訂單簿中的訂單要求。

Receive Orders：存儲礦工從存儲市場獲取存儲請求。

一旦抵押交易出現(xiàn)在區(qū)塊鏈中（在AllocTable中），礦工就能在存儲市場中提供存儲。他們設(shè)定價(jià)格并通過Put.AddOrders向市場訂單簿響應(yīng)訂單。

一旦訂單匹配，客戶就將數(shù)據(jù)發(fā)給存儲礦工。存儲礦工接收到數(shù)據(jù)后，運(yùn)行Put.ReceivePiece 。數(shù)據(jù)接收完成后，礦工和客戶簽署交易訂單并提交到區(qū)塊鏈。

Seal：存儲礦工為數(shù)據(jù)片段準(zhǔn)備未來證明。

存儲礦工的存儲空間被切分為很多扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包括了分配給礦工的數(shù)據(jù)片段。網(wǎng)絡(luò)通過分配表來記錄每個(gè)存儲礦工的扇區(qū)。當(dāng)一個(gè)扇區(qū)被填滿了，這個(gè)扇區(qū)就被密封（sealed）起來。密封是一種緩慢的順序操作。密封可以將扇區(qū)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為唯一的物理副本，并與存儲礦工的公鑰相關(guān)聯(lián)。密封在復(fù)制證明中是一項(xiàng)必須的操作，相關(guān)問題可參見第3.4節(jié)。

Prove：存儲礦工證明他們正在存儲數(shù)據(jù)。

當(dāng)存儲礦工被分配了數(shù)據(jù)時(shí)，必須重復(fù)生成復(fù)制證明來確保他們正在存儲數(shù)據(jù)（詳情參看第3節(jié)）。證明被發(fā)布在區(qū)塊鏈中，并由網(wǎng)絡(luò)來驗(yàn)證。

4.3.3 挖礦周期（對于檢索礦工）

本節(jié)簡要概括檢索礦工的挖礦周期。

Receive Orders：檢索礦工從檢索市場得到獲取數(shù)據(jù)的請求。

檢索礦工設(shè)置價(jià)格并發(fā)送到市場訂單簿，并通過向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)價(jià)。

Send：檢索礦工向客戶發(fā)送數(shù)據(jù)碎片。

一旦訂單匹配，檢索礦工就將數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶（第5.3節(jié)）。數(shù)據(jù)接收完成后，礦工和客戶就簽署交易訂單提交到區(qū)塊鏈。

4.3.4 網(wǎng)絡(luò)周期

本節(jié)給出簡單的網(wǎng)絡(luò)操作概述。

Assign：網(wǎng)絡(luò)將客戶的數(shù)據(jù)片段分配給存儲礦工的扇區(qū)。

客戶通過向存儲市場提交訂單來啟動Put協(xié)議。當(dāng)詢價(jià)單和報(bào)價(jià)單匹配的時(shí)候，參與各方共同為交易擔(dān)保并向市場提交訂單。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)分配給礦工，并將其記錄到分配表中。

Repair：網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)故障并試圖修復(fù)

所有的存儲分配都是全網(wǎng)公開的。在每個(gè)區(qū)塊中，網(wǎng)絡(luò)都會檢查儲存分配的證明是否存在，以確保它們有效，并按照下列要求正確工作：

如果有部分證明丟失或失效，網(wǎng)絡(luò)會罰沒部分抵押品來懲罰存儲礦工。

如果存在大量的證明丟失或失效（由系統(tǒng)參數(shù)Δfault定義），網(wǎng)絡(luò)會認(rèn)定存儲礦工存在故障，將訂單設(shè)定為失效，并為這部分?jǐn)?shù)據(jù)引入新訂單，重新進(jìn)入市場。

如果所有該數(shù)據(jù)的存儲礦工都發(fā)生故障，則認(rèn)定該數(shù)據(jù)丟失，客戶獲得退款。

Figure 6: Example execution of the Filecoin DSN, grouped by party and sorted chronologically by row

4.4 擔(dān)保和要求

以下是關(guān)于Filecoin DSN如何實(shí)現(xiàn)完整性、可恢復(fù)性、公開可驗(yàn)證性和激勵(lì)兼容性的相關(guān)條款。

完整性的實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)片段以加密的哈希值來命名，在Put請求后，客戶只需要存儲哈希即可通過Get操作來檢索數(shù)據(jù)，并可對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢查。

可恢復(fù)性的實(shí)現(xiàn)：在Put請求中，客戶可以指定復(fù)制參數(shù)和糾刪碼的類型，還可以將存儲方式指定為(f, m)-tolerant。它的意思是如果給定m個(gè)存儲礦工存儲數(shù)據(jù)時(shí)，最多可以容忍f個(gè)故障。使用更多的存儲礦工進(jìn)行存儲，可以讓客戶增加數(shù)據(jù)恢復(fù)的機(jī)會，以防存儲礦工下線或消失。

公開可驗(yàn)證和可審核性的實(shí)現(xiàn)：存儲礦工需要提交其存儲量證明 (πSEAL, πPOST)到區(qū)塊鏈。網(wǎng)絡(luò)中任意用戶都可以在不訪問數(shù)據(jù)本身的情況下，驗(yàn)證這些證明的有效性。由于這些證明都存儲在區(qū)塊鏈上，所有的操作過程都可以被隨時(shí)查驗(yàn)。

激勵(lì)兼容性的實(shí)現(xiàn)：一般來說，礦工通過提供存儲數(shù)據(jù)獲得回報(bào)。當(dāng)?shù)V工承諾存儲數(shù)據(jù)時(shí)，他們必須生成證明。如果忽略了證明，礦工就會被懲罰（通過罰沒部分抵押品），并且不會得到儲存回報(bào)。

保密性的實(shí)現(xiàn)：如果客戶希望維護(hù)數(shù)據(jù)的隱私性，就必須在提交到網(wǎng)絡(luò)之前，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。