揭秘Filecoin矿工真正应该关心的是什么

本文由IPFS星际联盟Leo Zhang原创

01
Filecoin简介

Filecoin是一个基于IPFS的去中心化的存储&检索网络，它致力于为人类信息创建一个分布式的、高效的、健壮的基础。

To create a decentralized, efficient and robust foundation for humanity’s information.
—— Filecoin mission

Filecoin作为去中心化存储网络的激励和验证机制，矿工是整个网络的主要参与者，也是网络运营和维护者。所有去中心化网络的前提假设都是节点是自私的、理性的，因为只有基于这样的假设设计的机制才能保证网络的稳定性。在这样的假设下Filecoin利用期望共识（Expectation Consensus）保证区块链网络的共识，利用复制证明（Proof of Replication）和时空证明（Proof of Spacetime）保证了自私矿工的理性决策是做诚实的节点，即只有诚实的行为才能保证收益的最大化。

02
分析前提

在分析矿工真正应该关心的是什么之前，我们应该清楚我们的前提是所有的矿工都是自私、理性的，并且我们假设并没有安全漏洞可以被矿工利用以轻松增加算力或者避免惩罚。

目前看来，经过两轮测试网，Filecoin已经逐渐趋于成熟，官方采取了一系列的方式去寻找修复bug，招募并成立了专门的安全研究小组。所以我们有理由相信主网的Filecoin也不会有明显的安全漏洞可以被利用。
官方悬赏网站：https://bounty.filecoin.io/，星际联盟团队代表成员向官方提交了6个关于智能合约以及时空证明相关的重大BUG。

03
矿工及收益

Filecoin网络是一个数据存储和检索的算法交易市场，其中包括存储矿工和检索矿工两种，矿工是网络的核心参与者和运营者，在自私的理性人假设前提下，矿工维护网络运行的核心动力是获取更多的FIL收益：

1、检索矿工不参与出块，所以检索矿工收益仅来源于检索的收益，但是这部分功能需要等到Filecoin主网上线以后有真实数据被存储到Filecoin网络中才会有真正的检索需求，检索矿工才会有收益；
2、存储矿工作为网络中最重要的参与者和维护者，其收益来源于两部分：打包的区块中执行Message消耗的Gas费用、系统给予的区块奖励FIL；

04
数据密封

Filecoin中的数据密封过程主要是指矿工将数据密封之后填充到物理存储空间，并通过复制证明算法向网络证明数据和存储空间的有效性，从而形成有效算力。目前网络支持矿工利用垃圾数据填充对应的空间并利用复制证明算法给出证明（称为“承诺容量”，Commit Capacity），也支持利用交易市场获得的数据和真实数据（需要通过验证方验证），三种情况下密封同样大小的数据获得算力的比例为10:11:100。

在大矿工测试来临之际，官方也已经开发了可以将密封的垃圾数据升级为真实数据的功能，以便于矿工存储空间不足时可以将垃圾数据空间替换为真实数据存储。此次大矿工测试也提出需要完成数据密封、升级、检索完整流程才能获得奖励，以此来帮助官方测试这部分功能。

总体而言，矿工不断的密封数据来填充自己的存储空间就可以形成有效算力，且密封交易数据与真实可验证数据的性价比更高。

05
期望共识

矿工通过密封数据形成有效算力，可以通过算力争夺出块权，这个过程类似于POW机制，具体的方式为：

其中，h(vrfout)是不可预测随机数, 最大值为，totalPower是全网算力，myPower是当前矿工密封数据的算力，e=5是每个tipset预期出块数量。每个Epoch时，每个矿工可以计算上面公式看是否成立，若满足则矿工获得出块权，成功出块以后可以得到对应的收益。

    可以看出，当矿工的算力达到全网算力的20%时，矿工一定可以获得出块权；当矿工算力小于20%时，矿工获得出块权的比率与矿工算力占全网算力比率成正比。

06
出块收益（挖矿主要收益）

单个矿工的区块奖励为单个tipset奖励均分为5份与区块中message的gas费用的总和，单个tipset的奖励是简单衰减模型与baselinePower机制的组合。单个tipset的出块奖励在baselinePower会逐渐增大，超过baselinePower之后会逐渐减小（具体内容后续介绍）。下面三幅图分别表示了tipset奖励随着时间变化以及Filecoin区块奖励的累计变化图（图1，图2，图3）：

图1 单个tipset奖励月度变化图

图2 单个tipset奖励变化年度变化图

图3 区块奖励累计年度变化图

07
物理存储空间-算力-收益

     下面我们主要分析存储矿工收益模式，作为投入矿机、电费、运营费用的矿工来说愿意持续运行的原因是挖矿有可观的收益。下面我们来分析Filecoin矿工获取收益的主要步骤：

矿工准备足够的物理存储空间；
矿工通过密封数据向网络证明有效存储空间，从而不断增加有效算力；
矿工通过期望共识机制竞争获取出块权，成功出块的矿工可以得到对应的收益（Gas和系统发放的FIL奖励）。

可以看出，存储矿工需要从初始的硬件及各方面的投入到得到真正的收益需要经历两个重要的过程：
其一，通过不断密封数据尽可能的增大自己的有效算力；
其二，通过自己的有效算力获取出块权，只有真正获取到出块权并成功出块的矿工才能获得对应的收益。

关键指标及分析

从上面可以看出，影响矿工收益的指标是矿工打包区块的数量，由于不同的人对于同一概念的定义与理解不同，我们先对几个指标给出对应的定义：

算力增长率：单位时间算力增长比率；
爆块率：矿工获得出块权的比率；
出块率：矿工获得出块权并成功出块的比率；
挖矿效率：单位算力对应的FIL收益；

分析上述几个指标：

算力增长率：对于一个矿工来说算力增长率与密封机器数量、单个扇区密封平均时间相关，其中单个扇区密封时间与机器配置、代码效率和稳定性相关，这是由于目前官方支持单台机器多个数据密封任务的并行计算，经过证明的扇区空间需要不断的挑战验证，所以算力增长率是一个综合的衡量指标。
爆块率：矿工通过有效算力获得出块权的理论值，只与矿工的有效算力成正比；
出块率：矿工通过有效算力获得出块权，并成功提交算力证明（WinningPost），然后对消息进行打包才算是完成了一次出块，这个过程需要在一个区块时间（25秒）内完成（图4）。由于完成一次算力证明，需要数据读取与零知识证明过程（大量计算）需要保证程序的高效性和稳定性，并且要完成对链上消息的打包。这个过程需要完整准确的做完才能获得对应的收益，每个细节都值得我们特别关注，如在测试网阶段我们已经观察到矿工会收到一些垃圾消息导致矿工出块失败，试想辛辛苦苦进行算力累积，提供了算力证明，最后由于垃圾消息的干扰导致出块的失败，何其的可惜。

图4 出块流程

挖矿效率：衡量矿工算力的收益能力的重要指标，如图5。矿工投入硬件成本、电力资源、人力成本优化代码效率目标都是不断的提高算力、爆块率和出块率。最终其实是为了提高算力的收益能力。

图5 挖矿效率影响因子

08
总结

对于矿工而言，真正应该关心的是挖矿效率，挖矿过程实际上是一个将物理存储空间转化为有效算力，再将有效算力转化为FIL收益的过程。目前市面上大多数的人都只宣传密封速度，殊不知将算力转化为FIL收益还需要关注更多的方面。
从上面可以看出，矿工算力与爆块率成正比，（矿工算力 + 稳定性 + 代码效率）与出块率成正比，挖矿效率度量了算力的收益能力，也是矿工投入产出的性价比，它与矿工算力成反比（币本位），与矿工的收益成正比。

写在后面

目前，大矿工测试临近，主网启动在即，官方代码还是有相对比较大的改动的，矿工应该更加全面的考量挖矿效率，不能只一味的追求算力增长：

Market部分功能才刚刚开始测试；
项目协议部分（specs-actors）也进行了较大的重构；
时空证明部分也在不断升级以支持大规模商用计划；
……

关于出块算法的考量，官方仍然在不断的尝试和考量，目前的机制是为了使得头部矿工不要一味的追求算力的高增长（形成军备竞赛），超过20%占比的算力具有相同的爆块率，但是出块率却会受到众多因素的影响，如存储的的稳定性和鲁棒性，计算的效率等。矿工应该兼顾算力增长率与收益率去提高挖矿效率。
此外，关于出块机制的设计，官方仍然在探索当中，网络中关于经济结构的重要参数也还没有正式确定，如密封数据的代币抵押、解锁机制，扇区失败和恢复的代币抵押机制，消息发送Gas费用设置机制，baselinePower设置等。
矿工真正应该关心的是综合考量，努力提高挖矿效率，主网的经济结构的相关参数也会很大的影响到挖矿进程的进行，非常值得持续关注与研究。

星际联盟

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