作者丨李畫

編輯｜熊吉

區(qū)塊鏈是一個分布式系統(tǒng)，但包括以太坊、EOS在內的諸多公鏈本身實現(xiàn)的都只是數(shù)據(jù)的分布式計算，而沒有提供數(shù)據(jù)的分布式存儲，這導致分布式的區(qū)塊鏈系統(tǒng)無法真正徹底地做到分布式。

IPFS（Inter Planetary File System，星際文件系統(tǒng)）協(xié)議解決的正是這樣一個問題，它是分布式文件系統(tǒng)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲。同時它也是一個去中心化網(wǎng)絡的基礎設施，包括公鏈在內的不同類型的應用都可以構建在它的基礎之上。

如果說公鏈是高速公路，IPFS則是高速公路路面之下的層層地基中重要的一層，它為不同的公鏈和應用提供數(shù)據(jù)的分布式存儲這一支持。

IPFS并非全新發(fā)明，它是幾十年來分布式系統(tǒng)探索的產物，綜合了包括DHT（Distributed Hash Table），BitTorrent，Git和SFS（Self-Certified Filesystems）在內的優(yōu)秀思想。IBFS對它們做出適合區(qū)塊鏈系統(tǒng)的改進，并通過分層設計將它們組合成一個新的系統(tǒng)。

本文將去繁從簡，以數(shù)據(jù)的存取過程為線索，通過對IPFS最關鍵的三個系統(tǒng)技術的分析，看它是如何滿足區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的分布式存儲需求的。

01 Merkle DAG

當把文件存儲到IPFS系統(tǒng)中時，文件并不是以一個完整的個體被存儲，文件數(shù)據(jù)以平均分割法的方式被切分成若干個256KB大小的塊。這些塊在經(jīng)過哈希運算后，也并不是存儲在單個中心化的服務器上，而是分開存儲在網(wǎng)絡中的各個分布式的節(jié)點之中，沒有節(jié)點擁有特權。

這一分布式存儲的難點不在于文件的切割或加密，而在于如何把這些被分割的和被分開存儲的數(shù)據(jù)重新組合成一個文件，這正是IPFS協(xié)議的第一個關鍵技術——Merkle DAG（Merkle Directed Acyclic Graph，默克爾有向無環(huán)圖）。

Merkle DAG從Git系統(tǒng)（林納斯·托瓦茲創(chuàng)作的分布式版本控制系統(tǒng)）改造而來，是在Merkle Tree（如下圖所示）的基礎上構建，儲存的是哈希值。IPFS上大部分數(shù)據(jù)對象都是以Merkle DAG的結構存在。

當從網(wǎng)絡中獲取文件時，先從可信的節(jié)點獲得文件的Merkle Tree樹根哈希值。一旦獲得了樹根，就可以從其他不可信的節(jié)點獲取Merkle Tree的各個節(jié)點的哈希值。通過可信的樹根來檢查接收到的Merkle Tree節(jié)點，如果Merkle Tree某節(jié)點是損壞的或者虛假的，就從其他存儲節(jié)點獲得另一個Merkle Tree節(jié)點，直到最終獲得一個與可信樹根匹配的Merkle Tree。

這樣一來，從上至下，直到獲得最底層的被切割成小塊的數(shù)據(jù)的哈希，最終形成一個完整的正確的文件。

由于Merkle DAG是基于哈希值的，而哈希值取決于數(shù)據(jù)塊的內容，因此IPFS協(xié)議擁有內容尋址的功能（HTTP是基于域名尋址），此外它還有防篡改和去重復的功能。防篡改是因為可以通過檢查哈希值來確認數(shù)據(jù)是否被篡改；去重復是由于相同內容的數(shù)據(jù)塊哈希是相同的，可以去掉重復的數(shù)據(jù)，節(jié)省存儲空間。

02 DHT

依靠Merkle DAG，可以構建一個數(shù)據(jù)結構用于實現(xiàn)分布式的數(shù)據(jù)存儲，但還缺最后一步，Merkle DAG存儲的哈希值如何定位到具體存儲數(shù)據(jù)的節(jié)點，也就是說，應該把數(shù)據(jù)分配到哪一個網(wǎng)絡節(jié)點去存儲，以及去從哪一個網(wǎng)絡節(jié)點獲得存儲數(shù)據(jù)。DHT（Distributed Hash Table，分布式哈希表）便是用來解決這一問題的方法。

哈希表是一種存儲“鍵值對（ Key/Value Pairs）”的容器，它能方便快速地通過key值來獲得 value值。在DHT中，key是被存儲數(shù)據(jù)的哈希值，通過K/V可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)塊與目標節(jié)點的映射關系。

哈希表被分割成不連續(xù)的塊，每個節(jié)點被分配一個屬于自己的哈希塊，也稱做區(qū)間表，并成為這個哈希塊的管理者，當用戶存儲數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行哈希運算，根據(jù)哈希運算的結果決定此數(shù)據(jù)由哪個節(jié)點負責儲存，并生成哈希表。

當用戶提取數(shù)據(jù)的時候，用同樣的算法計算數(shù)據(jù)的哈希，然后從哈希表獲得對應的數(shù)據(jù)存儲位置（如下圖所示）。

DHT是分布式系統(tǒng)的關鍵技術，實現(xiàn)它的方法有很多種，IPFS采用的是基于S / Kademlia和Coral的算法。

03 BitSwap

僅僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲還遠遠不夠，數(shù)據(jù)還需要在節(jié)點之前有效的交換，從而使得整個系統(tǒng)能夠高效運轉。IPFS協(xié)議 受BitTorrent 的啟發(fā)，通過對等節(jié)點間交換數(shù)據(jù)塊來分發(fā)數(shù)據(jù)。

BitTorrent 是一種點對點傳輸?shù)木W(wǎng)絡協(xié)議，它可以在存有不信任對等節(jié)點的網(wǎng)絡中分發(fā)數(shù)據(jù)，對于一個文件，下載的用戶數(shù)越多，下載的速度就越快，部分的網(wǎng)絡擁堵或服務器宕機也不會對整個系統(tǒng)造成大的影響。不過BitTorrent有一個致命的缺點，就是節(jié)點往往更多的是索取而不是貢獻。

如何激勵節(jié)點分享數(shù)據(jù)？IPFS在BitTorrent的基礎上進行了創(chuàng)新，增加了包括信用、策略、帳單在內的體系，這一體系之上的新的數(shù)據(jù)交換協(xié)議被稱做BitSwap。

在BitSwap協(xié)議下，發(fā)送數(shù)據(jù)給其他節(jié)點可以增加節(jié)點信用值，而從其他節(jié)點接受數(shù)據(jù)則會降低節(jié)點信用值。

也就是說，如果一個節(jié)點持續(xù)分享數(shù)據(jù)，其他節(jié)點給它發(fā)送數(shù)據(jù)的概率就會越來越大；而如果一個節(jié)點只接收數(shù)據(jù)而不分享數(shù)據(jù)，其他節(jié)點給它發(fā)送數(shù)據(jù)的概率就會越來越低，直到低到被其他節(jié)點忽略（如下圖所示）。

此外，BitSwap獲取數(shù)據(jù)塊的時候不限于從同一組對等節(jié)點中，在該協(xié)議里存在一個對等節(jié)點形成的大集群，它包括所有的數(shù)據(jù)塊，這使得BitSwap的效率相比于BitTorrent更高。

04 結語

Juan Benet在2014年5月成立了Protocol Labs協(xié)議實驗室，并在2015年1月發(fā)布了IPFS。IPFS在本質上是一個內容尋址的分布式存儲和傳輸協(xié)議。

IPFS被寄予厚望，它是目前階段最好的分布式存儲解決方案之一，人們甚至認為它可能取代超文本傳輸協(xié)議（HTTP，HyperText Transfer Protocol）。但另一方面，它在目前階段還不夠成熟，仍面臨著包括安全性、可用性在內的諸多問題。

最后，簡單介紹一下Filecoin和Filenet。

Filecoin和Filenet都是運行在IPFS上的激勵層，通過Token激勵讓節(jié)點有動力為網(wǎng)絡提供存儲空間，從而在IPFS協(xié)議的基礎上構建一個分布式的存儲網(wǎng)絡。但Filecoin和Filenet彼此獨立，是兩個不同的項目，采用的也是不同的Token分發(fā)模式。從某種角度而言，任何組織都可以在IPFS上搭建自己的激勵層。

【本文為投資家網(wǎng)原創(chuàng)文章，轉載或內容合作請聯(lián)系投資家網(wǎng)，違規(guī)轉載，法律必究。】