概述:
WinningPoSt是Filecoin網絡獎勵存儲提供者的機制，旨在構建一個安全、高效、可靠地分佈式存儲網絡。
Winning代表出塊權，Post就是在獲得出塊權時需要提交的時空證明。當存儲提供者通過EC共識的leader競選算法成功贏得出塊權後，便要進行WinningPoSt挑戰。 WinningPoSt挑戰的答案必須在短時間內提交，使得存儲提供者來不及通過密封找到挑戰的答案，以此保證挑戰者存儲了指定數據副本。證明答案會放進區塊中，每個成功創建區塊並被主鏈認可的存儲提供者會得到FIL獎勵，並且在區塊中打包消息，可以收取其他Filecoin參與者的費用。如果存儲提供者未能及時提交時空證明，便會失去本次打包區塊的機會，但不會受到任何懲罰。
本文將詳細分析Lotus代碼中WinningPost以及EC共識的設計。
源碼分析
(基於Lotus v1.11.1)
1. 啟動
使用lotus-miner init初始化一個miner，該miner將主要負責兩個任務，一個是worker的調度，另一個Mining協程就是負責出塊（WinningPoSt）。
2. m.mine()
類型 MiningBase 結構 {
TipSet * types.TipSet
NullRounds abi.ChainEpoch //從Base到當前高度,沒有產生區塊的輪次數
}
go m.doWinPoStWarmup() //喚醒WinningPoSt,log記錄本次喚醒時長
為了 {
為了 {
•Prebase = GetBestMiningCandidate //獲取最優Tipset
•如果base和prebase的高度、nullrounds相同，則退出循環進行出塊 //如果此時拿到的不是最優Tipset，出塊會形成孤塊
•waitFunc //等待一個網絡傳播延遲
•api.BeaconGetEntry(prebase.TipSet.Height()+prebase.NullRounds+1) //等待能夠獲得最新回合的隨機信標
•基地=預基地
}
b = m.mineone() //競選Winner
SyncSubmitBlock(b) //將新創建的區塊通過PubSub同步到網絡上
}
首先，Filecoin是一個由Tipset組成的鏈，一個高度對應一個Tipset，Tipset包含了對應高度生成的區塊，目前一個高度預期出塊數約為5，如果在一個高度沒有人出塊，則稱為空Tipset。
Mine函數使用了兩層循環，裡面一層是為了獲取最優Tipset，最優Tipset是指從當前輪次向前推，上一個非空的完整的Tipset，稱為base，每有一個空Tipset，base.NullRounds加1。但由於產生空Tipset（即在該輪次全網沒有人出塊）的概率非常低，一般情況下NullRounds值為0。外層是獲取最優Tipset後開始競選Winner，競選的成功率基於泊松分佈，如果競選成功並創建區塊同步到網絡上，該區塊被主鏈認可後，便能得到FIL獎勵。
3. m.mineone()
//獲取Base的基本信息，包括Miner和全網算力、需要抽取的sector信息、用於生成隨機數的Beacon
MinerGetBaseInfo()
//獲取900個高度前的Tipset
GetLookbackTipSetForRound
計算票（）
//依次寫入base回合隨機信標、加密類型、上一輪次和Miner地址計算Hash
Store.DrawRandoness
ComputeVRF //使用私鑰給Hash值簽名，生成一段可驗證的VRF輸出
IsRoundWinner()
//依次寫入本輪的隨機信標、加密類型、當前輪次和Miner地址計算Hash
Store.DrawRandoness
//若某Miner成功贏得選舉提交區塊，其他Miner可以通過提交的VRF輸出判斷winner是否符合條件
計算VRF
//計算贏得的獎勵數，算法基於泊松分佈
ComputeWinCount(MinerPower,NetworkPower)
//抽取一個Sector,併計算該Sector上的66個葉子的CommR
計算證明()
api.MpoolSelect() → CreateBlock() //從消息池中挑選一些Message打包成區塊
MinerGetBaseInfo獲取用於出塊的基本信息，需要注意的是其中GetLookbackTipSetForRound獲取了900個高度前的那個Tipset，因為此時可以認為該Tipset在鏈上的狀態是穩定的，幾乎不可能處於分叉鏈上。用於出塊的Miner算力、全網算力、抽查扇區和worker均是基於900個高度前的Tipset，而不是當前的情況。
其中抽查扇區邏輯使用cgo調用rust函數generate_winning_post_sector_challenge實現，具體如下：
讓 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()[..]);
讓 hash = hasher.finalize();
讓扇區挑戰 = LittleEndian::read_u64(&hash[..8]);
讓扇區索引 = 扇區挑戰% 扇區集長度；
其將prove_id、隨機數和抽查扇區類型做sha256的hash計算，計算結果與扇區數取模，得到結果就是抽查的扇區ID。
這裡選擇抽查扇區ID時引入了隨機數，隨機數的生成基於DRand協議。 DRand是一個公開的可驗證隨機信標協議，使用基於BLS的(t,n)-閾值簽名方案。簡單來說，就是生成n份簽名，只需要收集到其中t份簽名就能重構出完整的BLS簽名，Filecoin使用blake2b散列算法將簽名轉換為一個256bit的字符串。 drand輪數和Filecoin高度之間存在映射關係，在winning競選前，MinerGetBaseInfo函數以當前高度和base高度為入參，得到相對應的DRand輪數來獲取隨機信標。如果DRand信標中斷則會打斷Filecoin區塊的產生，期間Miner只能發布空塊。不過DRand分發恢復後會快速產生drand值趕上當前回合，從而快速的恢復Filecoin區塊生產。
ComputeTicket得到的Ticket存放到創建的區塊中，用於該區塊在Tipset中的排序，Ticket最小的優先級最高，其打包的消息會被優先執行。
ComputeProof會調用Rust函數fil_generate_winning_post生成時空證明。該函數也引入了隨機數，以從上述ID對應的扇區抽查隨機的66個葉子節點，驗證是否可以正確計算出CommR和Merkle樹根。
EC共識
區塊鏈世界中，千千萬萬個Miner夜以繼日的工作為的就是取得出塊權，分配出塊權的機制稱為共識，像Bitcoin使用的是PoW工作量證明，誰先算出哈希難題，誰就有權出塊得到獎勵。
上面的mineone代碼邏輯中包含了Filecoin中最為重要的共識協議稱為EC共識(Expected Consensus)。 EC共識採用非交互的方式來選舉leader，即每個節點私下進行運算，如果運算成功，提交一個證明即可。在每個Epoch開始時，所有的存儲提供者都會運行一次leader選舉，選舉中它們做的是同一道題，計算量不大，只是每個人的參數不同，預期指定數量的參與者代入參數後答案不為0，競選成功獲得出塊權。 EC共識保證了競選獲勝者是隨機的，獲勝的機率僅僅與他們自身的算力大小相關，目前每一輪全網預期獲勝數為5，並且EC共識的計算量很小，是一個綠色環保的共識機制，使得存儲提供者更願意投入存儲空間而不是計算力。
1. 泊松分佈
X服從參數為λ的泊松分佈，則概率分佈為
期望E(X)= λ，λ很小時的泊松分佈圖像如下
2. ComputeWinCount函數
Lhs = blake2b.Sum256(ep.VRFProof).Int //獲取一個隨機數，位於[02^256)[02^256)
λ = power/totalpower * 5 //λ很小時,泊松分佈圖像如上圖所示
Rhs(j) = 1-P(X=0)-p(X=1)-…-p(X=j) * 2^256
for( j=0; Lhs Wincount = j； 代碼的邏輯是當Lhs>=Rhs(j)或j>=15時退出循環， Wincount = j 不難理解，wincount=0概率為p(0)，以此類推，wincount=i的概率為p(i) ∴ Wincount ~ P(λ) 3.WinCount E(Wincount(p)) = λ = p/t * 5 礦工的算力越大，獲得的Wincount期望越高 E(Wincount(2p)) = 2p/（t+p）∗5≈2p/t∗5=2E(Wincount(p)) 由於單個礦工的算力相對於全網總算力非常小，所以wincount的期望與礦工的算力線性相關，礦工拆分算力獲得的獎勵和不拆分獲得的獎勵幾乎是一樣的 又設單個曠工算力為Pi ，則全網wincount總期望為 所以每個Epoch全網預計wincount為5 4. 出塊率 當Wincount≠0時，Miner便能獲得出塊權。 Wincount >0時，Miner雖然只出一個塊，但可以獲得多份獎勵，Wincount的和會被計入Tipset的權重中 9月8日全網總算力為10.4388EiB，得出塊率和算力的關係圖像如下 當Miner算力小於500PiB時，出塊率和算力大小幾乎成正比，每PiB獲得出塊權的概率約為0.00046。隨著全網算力持續增長，單P出塊率正持續下降。以8月8號為例，當日全網算力為8.77EiB計算得當日單P出塊率為0.00054，僅僅一個月的時間，單P產量就下降了15%，另外當前全網存儲總量已經超過了基線要求，有效算力高速增長致使出塊的獎勵也在減少，所以越早加入Filecoin網絡，獲取的收益率越高。 5. 共識錯誤懲罰 出於利益，存儲提供者可能會選擇無視共識協議，試圖分叉鏈，影響協議的公平性。為此，Filecoin為共識錯誤攻擊設置了相當嚴重的懲罰。 如在同一個區塊高度連續發布多個區塊，就可能觸發共識攻擊懲罰。根據合約ReportConsensusFault，一旦出現共識錯誤攻擊，所有網絡節點均可報告，檢驗屬實將會導致攻擊者接下來7.5個小時不能出塊，pre消息不能上鍊，並扣除一個區塊獎勵，舉報者可以獲得懲罰的1/20。 總結 Filecoin中每30秒存儲提供者競爭一次出塊權，全網預期贏得的區塊獎勵數為5。每個存儲提供者出塊的機率僅與自身的算力大小相關，當算力小於500PiB時，出塊率和算力大小幾乎成正比。此外，存儲提供者拆分算力和不拆分獲得的獎勵幾乎是一致的。獲得出塊權後需要對一個隨機扇區的隨機66個葉子節點進行驗證，並挑選消息打包區塊同步到網絡上，被主鏈認可後便能獲得區塊獎勵。 Filecoin使用了綠色環保的EC共識機制，有效的激勵存儲提供者積極封裝算力，為分佈式存儲的未來不斷添磚加瓦。而目前單P產量正處於快速下降中，對於存儲提供者來說，越早的加入Filecoin網絡才能獲得更高的收益率，而對於整個項目來說，這表明正有越來越多的人參與到Filecoin網絡的建設，有助於項目的長期發展和價值提升，未來的局面也越發令人期待！
