Genaro黄皮书解读：“区块链+分布式存储”集大成者

作者：古千峰

编辑：七七

昨天，Genaro项目技术黄皮书发布，笔者在第一时间下载（网址：https://genaro.network/en/documentation/Genaro%20Network%20Yellow%20Paper_zh），在仔细阅读后，受益匪浅。建议广大区块链技术工作者可以看看。篇幅虽然不多，仅14页，但几乎涵盖了80%的当前流行的分布式存储与区块链技术。

通读此文，不仅能对Genaro项目在技术层面上有个较完整的理解，而且能对当前最热门的云计算、区块链以及分布式存储技术有个大致的了解。

之所以有以上评价，源于Genaro本身就是一个集区块链技术与分布式存储于一身的特殊项目。打个不恰当的比方：Genaro=以太坊+IPFS。

因此，要解读Genaro的技术黄皮书，得分两个部分，分别是分布式存储与区块链。

下图是笔者整理的白皮书思维导图，将根据这个思维导图进行下一步解读。

一、Kademlia

分布式存储技术的基础是P2P网络，之前BT网络、eMule、VeryCD等等，都是P2P网络。P2P技术经过这些年的发展，已经相当成熟。比较有代表性的算法有Kademlia DHT，以及由其派生出的Coral DSHT和S/Kademlia DHT等等。不仅仅是上述提到的P2P网络，IPFS和Genaro也都使用了Kademlia分布式哈希技术。因此，大致了解下什么是Kademlia很有必要。

Kademlia算法要解决的问题就是在没有中心化索引目录的情况下，如何在保存了不同文件的节点上，快速找到需要的文件。Genaro的黄皮书中用了大量篇幅来介绍Kademlia，但技术性太强。笔者用一个算法例子来解释下Kademlia。

假设一个学校某一天决定把中心化图书馆拆了，把图书交给每个学生，同学之间互相借阅，那么怎么才能快速找到需要借的书在谁手里呢？

比如：Alice同学（学号00000110）想找《分布式算法》，她首先需要把书名进行哈希计算，得到该书名的哈希值为 00010000。那么Alice就知道她需要找到 00010000 号同学（命名为Bob同学）或学号与Bob邻近的同学。

那么怎么才能找到Bob呢？Bob的学号 00010000 与Alice的异或距离（不是物理距离）为 00010110，距离范围在[24, 25)，所以Bob可能在k-bucket 5中，即第五区中。

然后Alice看看自己的k-bucket 5（通讯录的第五区，请注意，该“通讯录”一般只占极小部分，否则便成为了中心化索引）中有没有Bob，这里有两种情况：

1.如果有，那就直接联系Bob借书；

2.如果没有，在k-bucket 5（第五区通讯录）里随便找一个同学B（注意是任意同学，它的学号第5位肯定与Bob相同，即他与Bob的距离会小于24，相当于比Bob、Alice之间的距离缩短了一半以上），Alice请求同学B在它自己的通讯录里按同样的查找方式找一下Bob：

  a.如果B知道Bob，那就把Bob的手机号（IP地址）告诉Alice；

  b.如果B也不知道Bob，那B按同样的搜索方法，可以在自己的通讯录里找到一个离Bob更近的同学C（Bob、C之间距离小于23），把C同学推荐给Alice；Alice请求C同学进行下一步查找。

如此下去，直到找到为止。



Kademlia的这种查询机制，有点像是将一张纸不断地对折来收缩搜索范围，保证对于任意n个学生，最多只需要查询log2(n)次，即可找到获得目标同学的联系方式。如果是1000万个节点的话，只需要寻找最多log2(10000000) = 23.25次，即可找到需要的内容。



这也是目前绝大多数分布式存储网络都采取Kademlia算法为数据发现的原因，因为检索效率很高。

（以上案例节选于《易懂分布式 | Kademlia算法》一文）

二、可搜索加密技术

该技术属于加密技术在云计算领域的应用。

顾名思义，就是基于密文进行搜索查询的方案，用密码学来保障用户的数据隐私信息。

用户不需要将所有加密文件全部下载到本地，然后在进行检索，从而节约了大量的带宽消耗和磁盘空间消耗。通过在线的加密搜索，可以直接检索加过密的数据，并根据需要下载。

Genaro使用了可搜索加密技术中的一种，即：搜索对称加密(SSE: searchable symmetric encryption)

三、代理重加密

该技术也属于加密技术在云计算领域的应用。

代理重加密技术可以解决用户在数据共享方面的不便。

代理重加密实质上是一种用于密文之间的密钥转换机制。在代理重加密过程中，服务商得不到数据的明文信息。

具体流程是授权人A透过代理者产生针对被授权人B的转换密钥。代理者利用该密钥，将原本由授权人A的公钥加密的密文转化为由用户B的公钥所加密的密文。

这样就在很大程度上解决了用户A与用户B需要共享公钥的问题，被授权人B只需要使用自己的私钥就可以获取密文对应的明文。从而实现了用户之间的安全的数据共享。

四、I/O流协议

作为区块链和分布式存储混合型项目，如何打通区块链的链上与分布式存储的链下数据，是个非常重要的问题。让以分布式存储的链下数据也同样具备链上数据的可信度，是I/O流协议需要解决的问题。

GSIOP 就是通过加密的方式保证了链下存储可靠性的协议方案。这种方案的最终目的是解决数据上链问题，也就是目前的区块链技术一直以来无法解决的Oracle（预言机）问题。希望Genaro的区块链+分布式存储方案能在这个问题上有所突破。

以上四项技术属于分布式存储，接下去来看下Genaro项目的区块链部分。

首先，Genaro的区块链部分是基于以太坊做的修改，在以太坊的虚拟机EVM中，增加了和文件存取相关的指令opcode。同时在Solidity语言中，也相应的增加了相关开发语法，形成了自身的GVM虚拟机。这种设计，将对现在主流的DAPP开发者-以太坊社区有利，能快速基于Genaro开发DAPP应用。

其次，在共识机制上，为了提升以太坊共识效率。同时，为了保证加密分享的文件本身是可以被证明存储完整性的,而不是存储后无法找回。Genaro对早期IPFS的PoR（复制证明）算法上做了改进，提出了SPoR算法，并与以太坊Casper的POS算法进行融合，提出了POS+SPoR的混合共识算法。

PoR算法也是几乎所有分布式存储的通用算法，最近PoR算法有了新的突破，斯坦福大学的Ben Fisch最新的关于PoR算法研究论文出炉，见 https://web.stanford.edu/~bfisch/porep.pdf，笔者将对此报告做另行解读。

对Genaro的解读至此，通过以上文字，读者可以看出，Genaro在整合一些成熟的技术的基础上，做了新的改进。这种整合与改进也是正是比特币、以太坊、IPFS等项目采取的方式。这种“积木式”开发，不仅仅在互联网行业非常流行，即使在底层公链上，也是如此。

作者简介：

古千峰，美国区块链媒体BTC Media亚太区CTO，Ripple早期开发者，分布式商业实践者与顾问，柚子杯黑客马拉松巡回赛发起人，武谷社区创始成员，IPFS原力区创始成员，哈希说区块链课程顾问，上海软件业协会首批认证区块链架构师。

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