Основи блокчейну у Filecoin

Блокчейн Filecoin — це складна розподілена база даних, яка спільно використовується мережею комп’ютерних вузлів. Кожен вузол містить копію блокчейну, що гарантує, що кожна транзакція та договірні зобов’язання в мережі реєструються та залишаються незмінними. Це забезпечує надійну та безпечну книгу всіх дій в екосистемі Filecoin.

Актори: Робочі конячки блокчейну Filecoin

Актори в блокчейні Filecoin служать еквівалентом смарт-контрактів у віртуальній машині Ethereum. Кожен актор інкапсулює набір змінних стану та методів для взаємодії з мережею Filecoin. По суті, вони є агентами, які виконують дії в блокчейні, наприклад, керують угодами щодо зберігання або сприяють транзакціям.

Вбудовані системні актори

Мережа Filecoin працює за допомогою кількох вбудованих системних акторів, які виконують основні функції:

• Системний актор: виконує загальні мережеві операції.
• Актор ініціалізації: відповідає за ініціалізацію нових акторів і керування правилами іменування мережі.
• Cron Actor: діє як планувальник мережі, запускаючи основні функції в кожну епоху.
• Актор облікового запису: керує обліковими записами користувачів за межами шаблону singleton.
• Актор Storage Miner: координує операції видобутку сховищ і перевіряє докази зберігання.
• Актор на ринку зберігання: керує угодами щодо зберігання на ринку мережі.
• Multisig Actor: керує операціями з мультипідписним гаманцем Filecoin.
• Актор платіжного каналу: керує створенням і розрахунком платіжних каналів.
• Актор Datacap: наглядає за розподілом і керуванням маркерами datacap.
• Перевірений актор реєстру: керує перевіреними клієнтами в мережі.
• Актор облікового запису EVM: представляє зовнішні ідентифікатори Ethereum, сприяючи взаємодії з системами на основі Ethereum.

Програмовані користувачем актори

У міру розвитку віртуальної машини Filecoin (FVM) розробники мають можливість писати та розгортати власні актори, подібні до смарт-контрактів на інших блокчейнах. Ці програмовані користувачем актори можуть взаємодіяти з вбудованими акторами через експортовані API, що дозволяє створювати широкий спектр програм і сервісів на основі мережі Filecoin.

Розподілена випадковість у Filecoin

Filecoin використовує розподілений і публічно перевірений протокол випадковості, відомий як Drand, як джерело випадковості для обрання лідера під час виробництва блоку. Ця випадковість має важливе значення для того, щоб процес був непередбачуваним, неупередженим і таким, що можна перевірити, зберігаючи справедливість і безпеку процесу видобутку.

Вузли та їх ролі

Вузли в мережі Filecoin в першу чергу класифікуються за послугами, які вони надають:

• Вузли верифікації ланцюга: перевіряйте блокчейн і запроваджуйте правила консенсусу.
• Клієнтські вузли: взаємодія з мережею для зберігання та отримання даних.
• Вузли постачальника сховища: запропонуйте ємність для зберігання в мережі та підтвердьте постійне зберігання.
• Вузли постачальників пошуку: швидко та надійно обслуговують збережені дані за запитом.
• Кілька реалізацій протоколу Filecoin співіснують для підвищення безпеки та стійкості мережі, гарантуючи відсутність єдиної точки збою та сприяючи здоровій децентралізації.

Адреси: ідентифікація акторів у Filecoin

Адреси у Filecoin — це буквено-цифрові рядки, які унікально ідентифікують учасників або користувачів у мережі, полегшуючи такі взаємодії, як транзакції та виконання смарт-контрактів. Ці адреси мають кілька форм, що відображають різні типи акторів, яких вони представляють:

• Ідентифікаційні адреси (f0): числові ідентифікатори для акторів, які забезпечують зрозумілий людині спосіб посилання на учасників мережі.
• Адреси Secp256k1 (f1): отримані з відкритих ключів за допомогою стандарту шифрування secp256k1, який зазвичай використовується для гаманців.
• Адреси акторів (f2): призначаються смарт-контрактам і залишаються надійними в мережевих розгалуженнях.
• Адреси BLS (f3): генеруються з відкритих ключів BLS і використовуються для гаманців із шифруванням BLS.
• Визначені користувачем адреси акторів (f4): гнучкі адреси, які можуть бути призначені визначеними користувачем акторами керування адресами, що дозволяє створювати спеціальні та розширювані схеми адресації.
• Кожен тип адреси служить певній меті в екосистемі Filecoin, від полегшення транзакцій до управління смарт-контрактами та взаємодією користувачів.

Типсети та блоки

Блокчейн Filecoin відхиляється від норми лінійної послідовності блоків. Тут блоки згруповані в «типсети», які можна розглядати як знімки стану мережі в кожну епоху або фіксований інтервал часу на мові блокчейну. Ця модель забезпечує більш гнучкий і ефективний блокчейн, дозволяючи створювати кілька дійсних блоків одночасно.

Анатомія блоку Filecoin

Кожен блок у Filecoin — це пакет, що містить заголовок і серію повідомлень, які представляють дії, вжиті учасниками, наприклад транзакції чи договірні угоди. Заголовок блоку містить такі метадані, як адреса майнера, квиток (підтвердження роботи) і CID батьківських блоків. Повідомлення є основою блоку, записуючи зміни стану, такі як передача токенів і контрактні виклики. Блоки пов’язані принаймні з одним батьківським блоком, утворюючи безперервний ланцюг назад до блоку генезису.

Blocktime: синхронізація імпульсу мережі

Час блокування у Filecoin встановлюється в середньому на 30 секунд. Цей інтервал було стратегічно обрано, щоб збалансувати швидкість реакції мережі та практичність її роботи. Менший час блокування міг би збільшити швидкість мережі, але це також висунуло б більші вимоги до апаратного забезпечення та могло призвести до більш частих збоїв блокування. 30-секундний час блокування дає постачальникам сховищ достатньо часу для виконання необхідних операцій, таких як запечатування секторів і створення доказів, не перевантажуючи своє обладнання.

Підказки: максимальна ефективність і винагорода

У певну епоху кілька постачальників сховищ можуть успішно видобувати блоки. Структура типсетів Filecoin враховує це, об’єднуючи всі дійсні блоки з однаковою висотою та батьківським блоком в одну групу. Це означає, що вся дійсна робота впливає на стан мережі та винагороджується, що є важливою особливістю, яка заохочує участь і співпрацю серед майнерів. Це також гарантує, що мережа може ефективно обробляти розгалуження, швидко досягаючи консенсусу щодо канонічного ланцюжка.

Система tipset надає кілька переваг перед традиційними блокчейнами:

• Збільшена пропускна здатність мережі: використовуючи всі дійсні блоки для визначення стану мережі, Filecoin може обробляти більше даних і транзакцій у кожну епоху.
• Винагорода за дійсну роботу: кожен постачальник сховищ, який створює дійсний блок, отримує винагороду, таким чином стимулюючи майнерів робити внесок у мережу та перешкоджаючи централізації.
• Співпраця над конкуренцією: потенційних виробників блоків заохочують до співпраці, оскільки структура підказок перешкоджає утримуванню блоків, які можуть бути корисними для зростання мережі.
• Стійкість до форків: завдяки архітектурі типсетів Filecoin досягає швидшої конвергенції під час форків, забезпечуючи стабільність мережі.
• Ethereum JSON-RPC і Filecoin

Варто зазначити, що з інтеграцією середовища виконання Filecoin EVM і прийняттям стандартів Ethereum JSON-RPC поняття «tipset» стає ще більш зручним для користувача. У цьому контексті, коли ми говоримо про «хеш блоку» в Ethereum JSON-RPC, ми насправді маємо на увазі хеш набору підказок, який охоплює комбіновані зміни стану від усіх блоків у цьому наборі підказок.

Продовжуючи досліджувати блокчейн Filecoin, ми побачимо, як ці компоненти взаємодіють для створення децентралізованої мережі зберігання, яка є надійною, ефективною та готовою до майбутнього зростання.

Консенсус Filecoin

Механізм консенсусу Filecoin, відомий як Expected Consensus (EC), є наріжним каменем у його децентралізованій мережі зберігання. Цей розділ має на меті представити EC, заглибившись у його принципи роботи, технічні характеристики та роль, яку він відіграє в підтримці цілісності та надійності мережі Filecoin.

Filecoin працює на основі унікального механізму консенсусу, який називається очікуваним консенсусом (EC). На відміну від традиційних протоколів блокчейну, які часто покладаються на Proof of Work (PoW) або Proof of Stake (PoS), EC поєднує в собі елементи випадковості, потужності зберігання та ймовірнісної візантійської відмовостійкості. За своєю суттю, EC розроблений для узгодження стимулів з основною метою Filecoin: ефективне та надійне зберігання даних.

Сутність ЕС

• Децентралізація та надійність: Основна мета EC – сприяти створенню децентралізованого середовища, де зберігання та пошук даних є надійними та доступними для перевірки.
• Підхід, орієнтований на сховище: на відміну від традиційних блокчейнів, які зосереджуються на обчислювальній потужності або монетах, EC Filecoin надає пріоритет потужності сховища – здатності зберігати дані.

Основна механіка очікуваного консенсусу

Операційна структура EC обертається навколо кількох ключових компонентів, кожен з яких відіграє життєво важливу роль у функціональності мережі.

1. Імовірнісна візантійська відмовостійкість:

• EC містить візантійські механізми відмовостійкості, що робить його стійким до ряду агресивних умов, включаючи зловмисні дії вузлів або вихід з мережі.

1. Вибори лідера та виробництво блоків:

• В основі ЄК лежить процес виборів лідера. На відміну від детермінованих процесів, які спостерігаються в інших блокчейнах, EC використовує імовірнісний метод для вибору лідерів або майнерів, відповідальних за створення блоків.

1. Анонімність до обрання:

• Майнери в EC залишаються анонімними, доки не зможуть підтвердити свій виборчий статус за допомогою «ElectionProof». Цей доказ є ключовим для забезпечення справедливості та непередбачуваності у виробництві блоків.

1. Підтвердження зберігання:

• Майнери повинні надати «WinningPoSt» (доказ простору-часу), підтверджуючи свій внесок у ємність мережі.

Технічні характеристики ЕС

Технічні основи EC - це те, де його інноваційна природа справді сяє. Тут ми досліджуємо деякі ключові специфікації, які визначають цей механізм консенсусу:

Випадковість через DRAND:

• EC використовує DRAND, зовнішній неупереджений маяк випадковості, щоб полегшити різні аспекти протоколу, включаючи вибори лідера.

Верифікована випадкова функція (VRF):

• Майнери використовують VRF, а також випадковість, отриману від DRAND, для створення свого ElectionProof.

ElectionProof і VRF Chain:

• ElectionProof має вирішальне значення для майнерів, щоб продемонструвати, що вони були правомірно обрані для створення блоку.
• Підтримується безперервний ланцюг VRF, який розширюється з кожним новим блоком.

Потужність накопичувача та WinCount:

• Потужність майнера в мережі пропорційна його обсягу зберігання.
• WinCount визначає кількість блоків, які може створити майнер, виходячи з потужності пам’яті та результату їх VRF.
• Безпека консенсусу та чесність

Безпека та справедливість мають першорядне значення в ЄС, і існує декілька механізмів для захисту цих принципів:

Консенсусні помилки та покарання:

EC визначає конкретні типи помилок консенсусу (наприклад, Double-Fork Mining, Time-Offset Mining) і накладає штрафи для запобігання зловмисній поведінці.

Джерело зображень: Документація Filecoin тут: https://spec.filecoin.io/algorithms/expected_consensus/

Зважування та вибір ланцюга:

• У протоколі використовується унікальна система зважування ланцюга, де перевага віддається «найважчому» ланцюжку, що вказує на найбільшу сукупну потужність накопичувача.

М'яка остаточність:

• EC використовує форму м’якої остаточності, відхиляючи блоки, які суттєво відхиляються від ланцюжка, тим самим забезпечуючи стабільність мережі.

Дранд: Розподілена випадковість у Filecoin

Drand (розподілена випадковість) є критично важливим компонентом механізму консенсусу Filecoin, що забезпечує неупереджене джерело ентропії, необхідної для таємного процесу виборів лідера мережі. Це публічно перевірений протокол випадкових маяків, призначений для генерації серії детермінованих випадкових значень, які можна перевірити.

Як працює Дранд

• Багатосторонні обчислення (MPC): Drand запускає серію MPC для отримання випадкових значень. Після довіреної фази налаштування група відомих дранд-вузлів підписує певне повідомлення, використовуючи порогові підписи BLS у послідовних раундах, що відбуваються через регулярні проміжки часу.
• Порогові підписи BLS: процес вимагає мінімальної кількості вузлів (t-of-n), щоб підписати повідомлення. Будь-який вузол із t підписів може реконструювати повний підпис BLS. Під час хешування цей підпис створює сукупне випадкове значення, яке можна перевірити за відкритим ключем на етапі налаштування.
• Припущення щодо безпеки: Drand припускає, що принаймні t із n вузлів чесні та онлайн. Якщо цей поріг порушено, супротивник може зупинити виробництво випадковості, але не може змінити випадковість.

Виходи випадковості Drand

Формат значень Drand: вузли Filecoin отримують значення Drand у певному форматі. Ключові компоненти включають:

• Підпис: підпис BLS на попередньому значенні підпису та поточному круглому номері.
• PreviousSignature: підпис BLS з попереднього раунду Drand.
• Раунд: індекс випадковості в послідовності, створеній мережею Дранд.

Використання Drand у Filecoin

• Вибори лідера: Drand використовується для виборів лідера у Filecoin, надаючи випадкове значення в кожну епоху. Ця випадковість має вирішальне значення для алгоритму очікуваного консенсусу (EC), що забезпечує справедливий і непередбачуваний вибір лідера.
• Отримання значень Drand: вузли Filecoin отримують останнє значення випадковості з Drand за допомогою певних кінцевих точок. Потім ця інформація інтегрується з даними в ланцюжку для підтримки механізму консенсусу Filecoin.

Докази: забезпечення чесності та довіри

Докази у Filecoin служать для підтвердження того, що постачальники сховищ належним чином зберігають дані відповідно до стандартів мережі. Ці докази мають вирішальне значення для підтримки цілісності та надійності децентралізованої системи зберігання.

Типи доказів у Filecoin

• Підтвердження реплікації (PoRep): використовується під час початкового зберігання даних, PoRep перевіряє, що постачальник сховища створив і зберігає унікальну копію даних.
• Proof-of-Spacetime (PoSt): безперервно перевіряє, чи постачальник зберігання зберігає збережені дані протягом тривалого часу. PoSt далі поділяється на WinningPoSt і WindowPoSt, які служать різним цілям перевірки в мережі.

Роль PoRep і PoSt

• PoRep: перевіряє початкову реплікацію даних постачальником сховища, гарантуючи, що дані унікально закодовані та запечатані.
• PoSt: WinningPoSt використовується в процесі консенсусу блоків, тоді як WindowPoSt постійно перевіряє постачальників сховищ, забезпечуючи постійне дотримання угод про сховище.

Механізм консенсусу Filecoin з його унікальним поєднанням EC, Drand і криптографічних доказів формує основу міцної та надійної децентралізованої мережі зберігання. Ці елементи працюють узгоджено, щоб гарантувати, що мережа залишається безпечною, ефективною та справедливою, сприяючи створенню середовища, де цілісність даних має першорядне значення. У міру того як ми глибше заглиблюємося в нюанси блокчейна Filecoin, винахідливість і витонченість його консенсусної моделі стають все більш очевидними, підкреслюючи потенціал мережі революціонізувати ландшафт цифрового зберігання.