概述:
WinningPoSt是Filecoin网络奖励存储提供者的机制，旨在构建一个安全、高效、可靠地分布式存储网络。
Winning代表出块权，Post就是在获得出块权时需要提交的时空证明。当存储提供者通过EC共识的leader竞选算法成功赢得出块权后，便要进行WinningPoSt挑战。WinningPoSt挑战的答案必须在短时间内提交，使得存储提供者来不及通过密封找到挑战的答案，以此保证挑战者存储了指定数据副本。证明答案会放进区块中，每个成功创建区块并被主链认可的存储提供者会得到FIL奖励，并且在区块中打包消息，可以收取其他Filecoin参与者的费用。如果存储提供者未能及时提交时空证明，便会失去本次打包区块的机会，但不会受到任何惩罚。
本文将详细分析Lotus代码中WinningPost以及EC共识的设计。
源码分析
(基于Lotusv1.11.1)
1.启动
使用lotus-minerinit初始化一个miner，该miner将主要负责两个任务，一个是worker的调度，另一个Mining协程就是负责出块。
2.m.mine()
typeMiningBasestruct{
??TipSet???*types.TipSet
??NullRoundsabi.ChainEpoch//从Base到当前高度,没有产生区块的轮次数
}
go?m.doWinPoStWarmup()??//唤醒WinningPoSt,log记录本次唤醒时长
比特币应用上架苹果App Store，用户被60多万美金:3月31日消息，一款设计得像正版应用的比特币应用被苹果的应用商店审核团队接受，最终让iPhone用户PhillipeChristodoulou损失了17.1个比特币，被盗时价值高达60多万美元。来自SensorTower的数据显示，1月22日至2月3日，假Trezor应用在AppStore上被下载了约1000次。Christodoulou损失的17.1个比特币如今价值接近100万美元，Christodoulou表示，他没有收到苹果公司关于此事的任何消息。另一位丢失了价值1.4万美元的以太坊和比特币的iPhone用户表示，苹果公司的代表告诉他，苹果公司不对假Trezor应用的损失负责。（华盛顿邮报）[2021/3/31 19:32:04]
For{
?For{
???Prebase=GetBestMiningCandidate??//获取最优Tipset
???如果base和prebase的高度、nullrounds相同，则退出循环进行出块??//如果此时拿到的不是最优Tipset，出块会形成孤块
???waitFunc??//等待一个网络传播延迟
???api.BeaconGetEntry(prebase.TipSet.Height()+prebase.NullRounds+1)?//等待能够获得最新回合的随机信标
???Base=prebase?
?}
?b=m.mineone()??//竞选Winner
?SyncSubmitBlock(b)//将新创建的区块通过PubSub同步到网络上
}
首先，Filecoin是一个由Tipset组成的链，一个高度对应一个Tipset，Tipset包含了对应高度生成的区块，目前一个高度预期出块数约为5，如果在一个高度没有人出块，则称为空Tipset。
美国6月非农就业人数增加20.9万人 预估为增加23万人:金色财经报道，美国6月非农就业人数增加20.9万人，预估为增加23万人，前值为增加33.9万人。[2023/7/7 22:24:04]
Mine函数使用了两层循环，里面一层是为了获取最优Tipset，最优Tipset是指从当前轮次向前推，上一个非空的完整的Tipset，称为base，每有一个空Tipset，base.NullRounds加1。但由于产生空Tipset的概率非常低，一般情况下NullRounds值为0。外层是获取最优Tipset后开始竞选Winner，竞选的成功率基于泊松分布，如果竞选成功并创建区块同步到网络上，该区块被主链认可后，便能得到FIL奖励。
3.m.mineone()
//获取Base的基本信息，包括Miner和全网算力、需要抽取的sector信息、用于生成随机数的Beacon
MinerGetBaseInfo()?
????//获取900个高度前的Tipset
????GetLookbackTipSetForRound?
computeTicket()
????//依次写入base回合随机信标、加密类型、上一轮次和Miner地址计算Hash
????Store.DrawRandoness
????ComputeVRF?//使用私钥给Hash值签名，生成一段可验证的VRF输出
IsRoundWinner()
????//依次写入本轮的随机信标、加密类型、当前轮次和Miner地址计算Hash
????Store.DrawRandoness?
???//若某Miner成功赢得选举提交区块，其他Miner可以通过提交的VRF输出判断winner是否符合条件
???ComputeVRF?
???//计算赢得的奖励数，算法基于泊松分布
???ComputeWinCount(MinerPower,NetworkPower)
???//抽取一个Sector,并计算该Sector上的66个叶子的CommR
???ComputeProof()
api.MpoolSelect()→CreateBlock()//从消息池中挑选一些Message打包成区块
MinerGetBaseInfo获取用于出块的基本信息，需要注意的是其中GetLookbackTipSetForRound获取了900个高度前的那个Tipset，因为此时可以认为该Tipset在链上的状态是稳定的，几乎不可能处于分叉链上。用于出块的Miner算力、全网算力、抽查扇区和worker均是基于900个高度前的Tipset，而不是当前的情况。
其中抽查扇区逻辑使用cgo调用rust函数generate_winning_post_sector_challenge实现，具体如下：
letmuthasher=Sha256::new();
hasher.update(AsRef::<>::as_ref(&prover_id));
hasher.update(AsRef::<>::as_ref(&randomness));
hasher.update(&n.to_le_bytes());
lethash=hasher.finalize();
letsector_challenge=LittleEndian::read_u64(&hash);
letsector_index=sector_challenge%sector_set_len;
其将prove_id、随机数和抽查扇区类型做sha256的hash计算，计算结果与扇区数取模，得到结果就是抽查的扇区ID。
这里选择抽查扇区ID时引入了随机数，随机数的生成基于DRand协议。DRand是一个公开的可验证随机信标协议，使用基于BLS的(t,n)-阈值签名方案。简单来说，就是生成n份签名，只需要收集到其中t份签名就能重构出完整的BLS签名，Filecoin使用blake2b散列算法将签名转换为一个256bit的字符串。drand轮数和Filecoin高度之间存在映射关系，在winning竞选前，MinerGetBaseInfo函数以当前高度和base高度为入参，得到相对应的DRand轮数来获取随机信标。如果DRand信标中断则会打断Filecoin区块的产生，期间Miner只能发布空块。不过DRand分发恢复后会快速产生drand值赶上当前回合，从而快速的恢复Filecoin区块生产。
ComputeTicket得到的Ticket存放到创建的区块中，用于该区块在Tipset中的排序，Ticket最小的优先级最高，其打包的消息会被优先执行。
ComputeProof会调用Rust函数fil_generate_winning_post生成时空证明。该函数也引入了随机数，以从上述ID对应的扇区抽查随机的66个叶子节点，验证是否可以正确计算出CommR和Merkle树根。
EC共识
区块链世界中，千千万万个Miner夜以继日的工作为的就是取得出块权，分配出块权的机制称为共识，像Bitcoin使用的是PoW工作量证明，谁先算出哈希难题，谁就有权出块得到奖励。
上面的mineone代码逻辑中包含了Filecoin中最为重要的共识协议称为EC共识(ExpectedConsensus)。EC共识采用非交互的方式来选举leader，即每个节点私下进行运算，如果运算成功，提交一个证明即可。在每个Epoch开始时，所有的存储提供者都会运行一次leader选举，选举中它们做的是同一道题，计算量不大，只是每个人的参数不同，预期指定数量的参与者代入参数后答案不为0，竞选成功获得出块权。EC共识保证了竞选获胜者是随机的，获胜的几率仅仅与他们自身的算力大小相关，目前每一轮全网预期获胜数为5，并且EC共识的计算量很小，是一个绿色环保的共识机制，使得存储提供者更愿意投入存储空间而不是计算力。
1.泊松分布
X服从参数为λ的泊松分布，则概率分布为
期望E(X)=λ，λ很小时的泊松分布图像如下
2.ComputeWinCount函数
Lhs?=blake2b.Sum256(ep.VRFProof).Int??//获取一个随机数，位于[0,2^256)
λ=power/totalpower*5?//λ很小时,泊松分布图像如上图所示
Rhs(j)=1-P(X=0)-p(X=1)-…-p(X=j)??*2^256
for(j=0;Lhs<Rhs(j)&&j<15;j++)；
Wincount=j；
代码的逻辑是当Lhs>=Rhs(j)或j>=15时退出循环，Wincount=j
不难理解，wincount=0概率为p(0)，以此类推，wincount=i的概率为p(i)
∴Wincount~P(λ)
3.WinCount
E(Wincount(p))=λ=p/t?*5
矿工的算力越大，获得的Wincount期望越高
E(Wincount(2p))=2p/?5≈2p/t?5=2E(Wincount(p))?
由于单个矿工的算力相对于全网总算力非常小，所以wincount的期望与矿工的算力线性相关，矿工拆分算力获得的奖励和不拆分获得的奖励几乎是一样的
又设单个旷工算力为Pi，则全网wincount总期望为
所以每个Epoch全网预计wincount为5
4.出块率
当Wincount≠0时，Miner便能获得出块权。Wincount>0时，Miner虽然只出一个块，但可以获得多份奖励，Wincount的和会被计入Tipset的权重中
9月8日全网总算力为10.4388EiB，得出块率和算力的关系图像如下
当Miner算力小于500PiB时，出块率和算力大小几乎成正比，每PiB获得出块权的概率约为0.00046。随着全网算力持续增长，单P出块率正持续下降。以8月8号为例，当日全网算力为8.77EiB计算得当日单P出块率为0.00054，仅仅一个月的时间，单P产量就下降了15%，另外当前全网存储总量已经超过了基线要求，有效算力高速增长致使出块的奖励也在减少，所以越早加入Filecoin网络，获取的收益率越高。
5.共识错误惩罚
出于利益，存储提供者可能会选择无视共识协议，试图分叉链，影响协议的公平性。为此，Filecoin为共识错误攻击设置了相当严重的惩罚。
如在同一个区块高度连续发布多个区块，就可能触发共识攻击惩罚。根据合约ReportConsensusFault，一旦出现共识错误攻击，所有网络节点均可报告，检验属实将会导致攻击者接下来7.5个小时不能出块，pre消息不能上链，并扣除一个区块奖励，举报者可以获得惩罚的1/20。
总结
Filecoin中每30秒存储提供者竞争一次出块权，全网预期赢得的区块奖励数为5。每个存储提供者出块的几率仅与自身的算力大小相关，当算力小于500PiB时，出块率和算力大小几乎成正比。此外，存储提供者拆分算力和不拆分获得的奖励几乎是一致的。获得出块权后需要对一个随机扇区的随机66个叶子节点进行验证，并挑选消息打包区块同步到网络上，被主链认可后便能获得区块奖励。
Filecoin使用了绿色环保的EC共识机制，有效的激励存储提供者积极封装算力，为分布式存储的未来不断添砖加瓦。而目前单P产量正处于快速下降中，对于存储提供者来说，越早的加入Filecoin网络才能获得更高的收益率，而对于整个项目来说，这表明正有越来越多的人参与到Filecoin网络的建设，有助于项目的长期发展和价值提升，未来的局面也越发令人期待！
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