Filecoin 规范解读 -- 系统节点

节点类型

Filecoin 节点是符合 Filecoin 协议规范的完整软件和硬件系统。

节点基本数据结构定义如下:

typeFilecoinNodestruct{
Node libp2p.Node// p2p节点

Repositoryrepo.Repository// 资料库数据，存储区块链数据
FileStore filestore.FileStore// 本地文件存储库，暂存存储在Filecoin中的文件
Clock clock.UTCClock// 时钟

MessagePoolmessage_pool.MessagePoolSubsystem// 消息池子系统，存储未上链消息
}

Filecoin 网络存在各种类型的节点：

链验证节点

typeChainVerifierNodeinterface{
FilecoinNode

systems.Blockchain
}

客户端节点

typeClientNodestruct{
FilecoinNode

systems.Blockchain
markets.StorageMarketClient
markets.RetrievalMarketClient
markets.MarketOrderBook
markets.DataTransfers
}

用于存储数据的客户使用。拥有区块链数据，存储市场客户端、索引市场客户端、市场订单表、数据传输等子系统。

存储矿工节点

typeStorageMinerNodeinterface{
FilecoinNode

systems.Blockchain
systems.Mining
markets.StorageMarketProvider
markets.MarketOrderBook
markets.DataTransfers
}

用于存储数据的存储矿工使用。拥有区块链数据、挖矿、存储市场供应商、市场订单表、数据传输等子系统。

索引矿工节点

typeRetrievalMinerNodeinterface{
FilecoinNode

blockchain.Blockchain
markets.RetrievalMarketProvider
markets.MarketOrderBook
markets.DataTransfers
}

用于索引数据所需的索引矿工使用。拥有区块链数据、索引市场供应商、市场订单表、数据传输等子系统。

中继节点

typeRelayerNodeinterface{
FilecoinNode

blockchain.MessagePool
markets.MarketOrderBook
}

目前核心的是客户端节点和存储矿工节点。

数据仓库

数据仓库是用来本地存储 Filecoin 节点正常运行时所需要的数据。数据仓库采用 FileStore 存储节点的密钥、有状态对象的 IPLD 数据结构和节点配置。

typeRepositorystruct{
Config config.Config
KeyStore key_store.KeyStore
ChainStoreipld.GraphStore
StateStoreipld.GraphStore
}

节点配置

typeConfigKeystring
typeConfigValBytes

typeConfigstruct{
Get(kConfigKey)union{cConfigVal,eerror}
Put(kConfigKey,vConfigVal)error

Subconfig(kConfigKey)Config
}

节点配置可以根据 ConfigKey 获取和设置。

密钥存储

密钥存储用于存储与矿工地址对应的密钥对，节点安全基于这些密钥对的安全，所以建议把密钥对存放在另外的系统里。

typeKeyStorestruct{
MinerAddressaddress.Address
OwnerKey filcrypto.VRFKeyPair
WorkerKey filcrypto.VRFKeyPair
}

Filecoin 存储矿工依赖三个模块：

矿工地址

调用存力共识子系统的registerMiner()生成的唯一标识 ID。用于绑定矿工的存力和相关的密钥对。

所有者密钥对

矿工注册时，公钥和矿工地址相关联的密钥对，矿工区块奖励等转账会转到这个公钥对应的地址。

工作者密钥对

矿工可以选择和修改的密钥对，公钥关联矿工地址，用于签名交易等，必须是 BLS 密钥对。

矿工地址是唯一的，而多个矿工可以共享一个所有者密钥对和工作者密钥对。

在修改工作者密钥对时，会是两步过程。首先矿工向链上发送修改消息，当链上收到后，密钥对的修改会缓存随机性回溯参数数量的两倍时间进行更改，以防止进行自适应密钥选择攻击。每次查询工作者密钥对时，都会对延迟的更改进行延迟检查，并且可能会根据需要更新状态。

IPLD 数据结构

typeObjectinterface{
CID()cid.Cid

// Populate(v interface{}) error
}

typeGraphStorestruct{
// Retrieves a serialized value from the store by CID. Returns the value and whether it was found.
Get(ccid.Cid) (util.Bytes,bool)

// Puts a serialized value in the store, returning the CID.
Put(valueutil.Bytes) (ccid.Cid)
}

Filecoin 数据结构是以 IPLD 格式存储，这是一种类似于 json 的数据格式，用于存储，检索和遍历散列链接的数据 DAG。

Filecoin 网络主要依赖两种 IPLD 数据：

ChainStore 存储了区块链数据，包括区块头，相关消息等。这是从其它节点下载而来，当有新区块产生或有新的最佳链，随时会更新。

StateStore 存储了经过 Filecoin 虚拟机计算而来的区块链状态数据， 该状态数据由创世区块开始计算，当有新区块产生就会基于前一个区块状态计算出最新的状态。

网络

Filecoin 节点使用 libp2p 协议发现节点、广播消息等。libp2p是一组点对点协议集合，节点通过该协议和其它节点通信，所有Filecoin协议会在 /fil/... 协议标识符下面。

以下是 Filecoin 使用到的 libp2p 协议:

Graphsync：用于传输区块链数据和用户数据，没有对应的协议标识符。

Gossipsub：用于区块头部和消息的广播，节点可以订阅相关主题以获取该主题的消息，同时转发给其它订阅同一主题的节点。协议标识符为/fil/blocks/<network-name> 和 /fil/msgs/<network-name>。

KademliaDHT：用于发现节点的分布式哈希表，协议标识符为 /fil/<network-name>/kad/1.0.0。

Bootstrap List：用于新节点连接入网络的初始化启动节点列表。

Peer Exchange：可以帮助节点依据已连接节点的现有节点发现更多节点。

Hello: 处理新连接的节点的寻找。协议标识符为 /fil/hello/1.0.0。

以下以Hello协议为例:

hello协议包含两个过程：

hello_listen: 新建数据流 -> 从数据流中读取hello消息 -> 向数据流中写入延迟消息 -> 关闭数据流

hello_connect: 建立连接 -> 打开数据流 -> 向数据流中写入hello消息 -> 从数据流中读取延迟消息 -> 关闭数据流

这里数据流和连接操作都是标准 libp2p 操作。支持Hello协议的节点处理Hello消息并管理节点同步区块链。

消息数据结构:

importcid"github.com/ipfs/go-cid"

// HelloMessage 和其它节点共享当前节点信息
typeHelloMessagestruct{
HeaviestTipSet [cid.Cid]
HeaviestTipSetWeightBigInt
HeaviestTipSetHeightInt
GenesisHash cid.Cid
}

// LatencyMessage 和其他节点共享节点延迟
typeLatencyMessagestruct{
// Measured in unix nanoseconds
TArrivalInt
// Measured in unix nanoseconds
TSent Int
}

当向数据流写入 HelloMessage 时, 节点检查当前最新区块以提供当前节点信息。当向数据流写入 LatencyMessage 时，节点设置接收时间戳 TArrival 和发送时间戳 TSent。

时钟

typeUnixTimeint64// 时间戳

// UTCClock 是一个一般的系统时钟，保持和UTC时间同步，误差在1秒以内
typeUTCClockstruct{
NowUTCUnix()UnixTime
}

// ChainEpoch 表示一个区块轮
typeChainEpochint64

// ChainEpochClock 是一个表示区块时间的时钟
typeChainEpochClockstruct{
// GenesisTime 是第一个区块的出块时间
GenesisTime UnixTime

EpochAtTime(tUnixTime) ChainEpoch
}

packageclock

import"time"

// UTCSyncPeriod 表示多久从可信赖的时间源同步时间
varUTCSyncPeriod=time.Hour

// EpochDuration 表示一个区块时间
varEpochDuration=UnixTime(25)

func(_*UTCClock_I)NowUTCUnix()UnixTime{
returnUnixTime(time.Now().Unix())
}

// EpochAtTime 返回当前时间对应的区块高度
func(c*ChainEpochClock_I)EpochAtTime(tUnixTime)ChainEpoch{
difference:=t-c.GenesisTime()
epochs:=difference/EpochDuration
returnChainEpoch(epochs)
}

Filecoin 假定系统参与者之间的时钟同步较弱。也就是说，系统依赖于参与者可以使用全局同步时钟（可承受一定限度的误差）。

Filecoin 依靠此系统时钟来确保共识。具体来说，时间是支持验证规则所必需的，该验证规则可防止块生产者使用未来的时间戳来挖掘块，并且防止矿工的出块权的次数超出协议允许的范围。

时钟使用

Filecoin 系统时钟使用在以下场景：

用于验证同步到的区块的对应高度和系统时间是否吻合，这是基于每个高度都和创世区块的时间差相吻合。

删除同步到的时间是未来的区块。

如果当前高度没有区块产生，依据协议生成下一高度的区块，以保证网络协议稳定。

为了完成以上需求，系统时钟需要：

相对与其它节点有足够低的时钟误差(小于1秒)，以保证不会挖出未来的区块。

预设高度值和系统时间戳的关系为epoch = Floor[(current_time - genesis_time) / epoch_time]。

其他子系统将时钟子系统注册到NewRound() 事件。

时钟需求

Filecoin 协议中使用的时钟应该保证 1 秒以内的同步误差，以完成需要的验证。

系统级别的时钟可以通过以下方式提高其误差率以保证其要求：

客户端需要查询NTP服务来校准时间，比如 pool.ntp.orgtime.cloudflare.com:1234time.google.comntp-b.nist.gov。

客户端可以在大型采矿作业中使用铯钟实现精确时间同步。

矿工应该防止他们的时钟向前偏离一个高度以上，以防止其提交的区块被网络拒绝。同样地，它们应该防止其时钟向后漂移超过一个高度，从而避免将自己与网络中的同步节点分叉。

后续

后续将会介绍 Filecoin 系统文件数据的规范。

End

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编译者/作者：FilCloud

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