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摘要： 技術解碼丨復制證明（PoRep）發展現狀你想要安全，因為這是一個不受掌控的世界，你不知道攻擊來自哪里，你依賴的是你心中多數人的誠實和利己主義；你需要層層裝甲，但你又不想付出太大的代價，高昂的保護意味著對人群的疏遠。怎么辦？也許該尋得一套軟甲。價格親民，刀槍不如。
眾所周知，Filecoin的存儲證明體系是Filecoin網絡的精髓，也是Filecoiini研究團隊投入最多的部分，其中主要包括復制證明（PoRep）和時空證明（PoSt），而復制證明又是其中的重中之重，關鍵之中的關鍵。時至今日，盡管Filecoin的網絡協議，共識，其他算法都基本定型，但是復制證明仍然處于完善階段。仍然在苦苦尋求更加完善的方案。
復制證明到底證明什么？簡單地說，Filecoin的復制證明就是礦工證明你真的存儲了用戶的數據。
詳細一點講，那就可以直接采用復制證明研究專家、證明算法的發明者 Ben Fisch 的話：
復制證明（PoRep）是一個交互式證明系統。在這個系統中，存儲的提供者需要提供可公開驗證的證明，來表明其為一個數據文件副本分配了獨有的空間資源，而且所存儲的數據是可檢索的。也就是說，復制證明是一個把可檢索證明（PoR）嵌入進容量證明（PoC）中的一種證明機制。
進一步說，PoRep使證明者能夠證明他們正在使用不低于需要的最小空間來存儲信息（這一點等同于空間證明：PoS），并實際使用該空間來存儲有用的信息（這與大多數空間證明不同）。同時，PoRep可以有效地提取存儲的任何數據（如可檢索性證明）。
在一個帶激勵的網絡中，存儲節點以證明者的身份參與并存儲數據文件，因為這樣做可以使他們獲得網絡獎勵。
PoRep的一項重要特性是，證明者如果不能證明他們聲稱的那樣存儲數據文件的復制副本，那么他們將不能獲得獎勵。這是通過系統設計來實現的，在一個合理的系統設計中，即使是那些重復的數據文件，也需要分別證明其每一個復制都需要根據協議被單獨證明。
這里幾個名詞解釋一些：
- PoRep：Proof of Replication (前面講過了)
- PoC：Proof of Capacity - 容量證明，證明自己有足夠的容量
- PoS：Proof of Storage - 存儲證明，注意，這里沒有包括檢索部分（與PoC類似）
- PoR：Proof of Retrievability - 檢索證明，證明數據可被讀取
綜上所述，我們知道： PoRep = PoS + PoR
復制證明的使用PoRep方案旨在用于云存儲和分布式存儲網絡。在這樣的網絡中，重要的是要確保確實獨立地存儲數據文件的復制。
Ben Fisch 作為 Filecoin 研究團隊中的重要一員，他在2018年發表了兩篇重要論文，用于探索復制證明在 Filecoin 網絡中的使用，分別是：
Tight Proofs of Space and Replication
PoReps: Proofs of Space on Useful Data
Filecoin 網絡的復制證明的設計基本上基于上述論文，但做了更多的探索。其中包括，從 Zigzag DRG 到 WinSDR 再到 SDR 的改變。
復制證明的安全性當復制證明用于區塊鏈系統，這里就涉及到一個重要的問題，這種證明是否可偽造？答案是肯定的。因為證明不過就是一些運算，也可以看成一個函數，當所有輸入都知道的情況下，函數值也就可計算了。在區塊鏈系統中，一切鏈上的信息都是透明的，即使不透明，對于需要發起證明的存儲服務方而言，證明所需要的所有信息也是已知的。
然而，復制證明要求必須在存儲的時候發起，同時，要一直保持承諾。也就是說，必須：
1）按照規定的時間內完成證明；
2）證明完成后，不能刪除數據。
上面的第 1）點，可以通過交易和上鏈信息來進行驗證，而第 2）點，就需要通過時空證明來保證。那么很簡單的一個問題就是，能不能不保留數據，而在需要時空證明的時候再做一次復制證明來生成數據呢？答案是，可以，如果你能夠滿足網絡的要求的話。
這里所提到的網絡要求在實踐中就是時間要求，為了這個安全性，一個簡單的設計原理就是，讓時空證明必須在很短的時間內完成，否則無效；而復制證明如果不能在很短的時間內完成的話，就不能做假。
那么，當這兩個時間的差距越大，安全性就越高。
Filecoin網絡中的要求：
時空證明（PoSt）要求在小于一個區塊時間內完成（25s～45s，具體數值待定）；注意，這里只考慮WinningPoSt （之前叫ElectionPoSt）。為什么可以不考慮 WindowedPoSt，讀者自己想想做假的動機就差不多明白（當然全面的安全考慮不僅僅是這么簡單）。
復制證明（PoRep）通過設計，在一般用戶可承受成本之下，使得其不可能小時級別內完成。一般為數小時
注意，PoSt的時間是網絡要求的，而PoRep的時間消耗，只能通過算法設計來實現。
如何增長PoRep需要的時間？如果單純從安全性的角度考慮，復制證明完成的時間越長越好。要延長計算的時間，辦法有很多，可以考慮的因素包括：
算法的長度：步驟越多的算法，可能需要更長的時間
算法的可并行性：并行度可以通過增加資源減少運算時間
算法的可簡化性：算法本身如果能夠簡化，那么復雜度就存疑
PoRep要在這幾個方面都要有足夠的強度。就目前的SDR算法而言，對應上面的幾點，Filecoin采用的方案是：
算法的長度通過多步驟計算實現：比如在整個SDR的算法過程中，計算Column Hash之前，要計算11層 labels，這個層數可以調整，層數越多，步驟越多，時間越長；
采用每一步的強依賴關系來去并行化：在計算labels時，每一步的計算都依賴上一步的結果，完全不能并行；因此不能通過增加資源的方式來縮短時間；
采用大量的密碼哈希算法來抗簡化：我們知道，密碼學中的哈希算法是單向函數，而且是難以破解和簡化的（實踐中可以看成是不可破解的）。
安全和成本的折衷但是，安全和成本是一個硬幣的兩面。如果不計成本，當然可以很安全。但是，Filecoin的愿景是做一個存儲市場，是希望與 Amazon，阿里云抗衡的，如果PoRep的成本太高，那么整個存儲的成本也就會高，在這個市場上的競爭力就降低了。
如何在盡量不增加成本的情況下，提高安全性，這是Filecoin團隊考慮的最多的一個問題。其實，對于PoRep性能的提升，Filecoin團隊一直在做，而且性能也一直在提升，這些提升的措施包括：采用更高效的hash算法 Poseidon 來提升零知識證明效率；利用SHA Extension指令來提升每一層的計算速度；采用八叉樹來簡化計算周期和存儲需求；利用內存和存儲的均衡來實現高效率的計算等。
這些考慮，更多的在于對于CPU，內存和存儲資源的消耗上盡量降低，從而帶來成本的降低，但是，前面提到過了，為了安全性不降低，計算的時間長度上不下降。換句話說，盡管你可以使用更少的資源，更低的成本來做復制證明，但是，你還是要花很長時間。
這里有一個問題要澄清一下：做復制證明花比較長的時間，并不意味著存儲和檢索的時間就長了，也并不意味著會很大地影響網絡的響應時間。這是兩回事情。對存儲用戶而言，存儲和檢索都是直接和礦工打交道的，礦工對用戶的響應時間并不依賴于Filecoin區塊鏈網絡。礦工完全有很多的方案還為用戶提供快速的響應。因此，千萬不要因為復制證明需要花的的時間長，就認為Filecoin網路的服務會有問題。
進一步的優化空間PoRep算法一直在進步，但仍然不能令人滿意。安全性也許可以，但效率還是不夠好。一方面，目前的算法對于不帶 SHA Extension 的芯片不夠友好，這可能造成大量存量設備不能高效地為Filecoin網絡提供存儲；另一方面，如果要充分利用現有設備來進行計算，現在的算法要么需要大量的內存消耗、要么需要高帶寬、大量高速IO消耗。
到目前未知，盡管已經非常臨近測試網第二階段，但是，Filecoin團隊仍在積極研究，希望進一步優化。就目前而言，團隊對這個算法的滿意度還可以，一個共識是：目前算法是安全的，而且也工作的很好。第二階段可以采用這個算法。同時，希望有更好的算法，如果經過研究，發現新的不降低安全性，同時需要的成本可以更低，那么算法將會被替換。
這也是團隊一直反復強調不要買硬件的原因。再等等吧，不用多久，就可以基本定型。不好意思，再說一句，優化無止境，改變總在發生。
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