IPFS：数据存储世界最大的颠覆者！

我们如何在今天的生活中存储、访问和利用数据规则？

许多人每天需要花费大量的时间访问数据，而我们访问的数据主要存储在中央服务器上。这种集中式的模式，统治着当今数据存储的世界。随着去中心化创新的蔓延，出现了一些有趣的替代方案。

区块链技术彻底改变了金钱的概念，以及我们如何使用它的想法。在数据存储方面，简单地将数据存储在区块链上将很难确认，另外区块链中数据的不可更改特性，并不是完全是一个优点。从另一方面说，以几美元的价格在以太坊智能合约上存储1kb数据，它的价格也是昂贵的。

令人感到高兴的是，其它能够颠覆我们现有存储和访问数据模式的，分布式存储技术正在建立。其中包括对等节点文件系统、分散式云存储和分布式数据库技术。

对等节点文件系统

行星际文件系统（IPFS）由 Protocol Labs（协议实验室）创建，旨在解决当今统治网络的超文本传输协议（HTTP）的一些缺点。它提出了一种基于对等网络的差异化模型。

协议实验室是一个用于网络协议的研发公司，也是前Y-Combinator初创公司，其中所有项目都是开源项目。

基于HTTP的集中式模型效率不高，主要依赖于一台计算机进行文件下载。而IPFS是基于一个更快速和高效的不同模型，是一种点对点的超媒体协议。

IPFS中有两个关键属性。首先，它是一个分布式文件系统；其次，它是一个版本化的文件系统，不仅可以存储文件，还可以跟踪它们的版本。这两个属性的组合是IPFS提出的新模型，与HTTP相比具有很多优点。

HTTP是请求-响应协议。每台计算机都会输入自己的请求，然后连接到服务器进行检索数据。在HTTP中访问相同内容的计算机，与物理距离的远近是不相关的。

IPFS是如何运作的？将文件添加到IPFS时，它们会被赋予一个加密哈希。这意味着当你查找文件时，可以要求网络查找，存储唯一哈希后面的内容的节点。唯一哈希充当地址，类似于在HTTP中键入网络地址的方式。还应用了一个称为IPNS的分散命名系统，以便每个文件都具有一个可读的名称。

因此，它不使用HTTP中的位置地址，而是使用内容的表示（加密哈希）来访问实际内容。通过使用此系统，IPFS可以利用物理的邻近性。如果一个生物医学班的100名学生，都被告知访问同一网页，通过HTTP访问他们都需要单独连接到中央服务器；如果完全依赖于中央服务器来访问内容，这可能会导致一些问题。

使用IPFS，相同的节点之间可以相互提取数据。所需要的只是访问数据的起点，即加密哈希。这就是IPFS如何利用物理距离，并实现比HTTP更高效的系统。

将数据存储在加密哈希后面，这实际上是，允许网站将数据托管在客户端浏览器上。客户端是指，在客户端 - 服务器关系中执行的操作。在HTTP中，是客户端向中央服务器发送内容请求。在IPFS中，是客户端寻找，由网络中另一客户端所托管内容的加密哈希。

区块链中也使用加密哈希。在IPFS中，使用加密哈希值，是为了向网络请求文件时，可以找到存储它的节点。而在区块链中，加密哈希用于将每个新块链接到前一个块，以便如果一个节点要更改分类帐，则在更改分类帐点之后的每个块也将被更改。这是区块链技术的安全特性之一。

与区块链技术相似，IPFS也带来了去中心化的一些好处，其中主要好处之一是没有单一的失败点。在HTTP中，如果服务器出现故障，则无法访问内容。而在IPFS中，节点是分散的，一个节点的故障不会影响到整个网络。

去中心化的另一个好处是没有审查阻力。在服务器 - 客户端模型中，中央服务器可以轻松地审查或拒绝保留你的内容。如果网络中至少有一个节点愿意承载内容，那么内容就会没有审查阻力。

IPFS的缺点之一是它只能提供静态文件，这限制了IPFS托管内容的应用。例如，托管内容将无法接收来自用户的请求，并根据服务器中的数据生成响应。想象一下，用户希望看到最新的芭蕾舞剧还剩下多少座位，这种请求在IPFS中是无法进行的。

动态数据示例

IPFS的另一个缺点是需要保持在线以共享你的文件。由于加密哈希指向可以找到数据的方向，因此必须保持联机状态，以确保你的数据可以随时进行访问。

最后一点，IPNS名称不是非常受用户欢迎，关于这一点问题目前正在解决中。虽然使用域名系统可以更受用户欢迎，但这样做会引入外部故障点。IPNS将如下所示。

IPNS示例

对于想要深入研究构成IPFS的技术组件的朋友，下表包括主要组件及其相应的功能。

IPFS提出了一个有趣的替代方案，它优于与HTTP的请求 - 响应模型。点对点协议带来了与分散化相关的一些关键优势，例如：没有单点故障和审查阻力，物理邻近度的利用，是HTTP模型无法利用的方面。

分散式云文件存储

对于那些使用过Dropbox的用户来说，分散式云存储可以被认为与其是相同的，除了内容是存储在用户的硬盘上，而不是在中央服务器上。用户基本上出租了他们的硬盘空间，并且开发了许多加密技术以促进这种商业模式。

分散式云存储旨在实现分散的好处，例如没有单点故障和审查阻力。在典型的集中模型（如Google、Amazon和Dropbox运行的服务）中，如果服务器出现问题，则可以限制对数据的访问。在这些模型中，数据的隐私也值得怀疑。分散式模型没有单点故障，可以提供对数据的无限制访问，并使用加密来增强隐私。

但是，它也会带来分散性的缺点，例如可伸缩性问题。就成本而言，仅仅在区块链上存储会很昂贵，但在这些分散的云存储模型中，许多已经开发出一种免费的市场模式，使其更加实惠。你可以对自己说，可以免费使用谷歌驱动器，但你需要权衡数据隐私的问题。在集中式模型中，公司拥有控制你的文件以及访问它们的能力。

以太坊要想实现世界计算机的理念，需要存储作为基础。虽然智能合约是应对分散式的方法，通过加密应对分散式信息传递，但Swarm Network（群集网络）是分散存储的愿景。

来自以太坊博客的图表

与IPFS类似，文件通过其内容的哈希来寻址。但是，与IPFS的不同之处在于，由于是构建在以太坊的链上，它实际上是不可变的。IPFS是可编辑的，因为它使用分布式哈希表和版本控制系统。

此外，在IPFS中，哈希指向可以定位数据的位置，而在Swarm中，哈希指向实际上是数据本身。

群集网络是如何工作的？它已经建立了可以分成两大类的激励机制，分别是带宽激励和存储激励。

带宽激励是通过Swarm帐户协议（SWAP）设计的，包含：网络中的每个节点设置、每块数据的最高价格、以及提供的块价格。每块数据的最高价格是你准备为存储中的数据块一共支付多少，而提供的块是你为传递数据块而支付的价格。每个节点都需要保持均衡支付，因为在此模型中，负债过多的节点将会形成不良声誉，从而会导致激励模型发挥作用。

存储激励是基于这样的一种想法，即愿意提供长期存储的节点，需要提供了保证金。如果他们受到质疑，最终证明他们没有存储数据，他们将失去保证金。

虽然Swarm网络带来了分散化的好处，但是由于它与blockcahin进行深度整合，也将为以太坊带来局限性。以太坊最大局限之一是，吞吐量最大可达15tps。

建立在以太坊区块链上的另一个项目是Storj。Storj是一个开源软件，任何人都可以自由分叉自己的版本。它由Storj labs创建，是一家营利性公司，经营着自己的版本，开发了强大的用户基础。他们收取使用其版本的费用，用户从提供的网络效果中获取价值。

Storj的关键技术组件包括加密、文件分片和分布式哈希表。Storj的目标是更快、更便宜、更私密。

文件分片需要在使用Storj上传文件时，将整个文件分割成较小的碎片（称之为分片）。这样做的潜在好处是，没有任何一个位置存储有整个文件。此外，只有上传者知道分片的位置。访问该文件需要一个私钥，如果没有此密钥几乎不可能找到分片。数据在上传之前也被进行了加密，并且只有具有私钥的用户才能读取，从而进一步增强了隐私。

在Storj中，文件分片的好处是双重的，因为它们可以增强隐私，也可以更快地访问内容。与从中央服务器检索一个大文件相比，一个文件的碎片可以同时从多个源检索，使其更快。该过程如下所示。

Storj评论

Storj制定了激励措施，以确保数据的安全和网络的正常运行。定期进行审核，并通过接收小额款项以成功通过审核。

Storj是最广泛采用的分布式云存储项目之一。IPFS正在开发自己的分布式云存储项目Filecoin，并设想一个免费的市场模式，使存储费用更便宜。Storj是最受欢迎的，它证明了自由市场模式对利率的有效性。Storj也是用于参与生态系统的加密货币。

Storj模式应用的局限性是什么？假设你使用Storj存储一个文件，并将数据拆分为不同的分片，然后发送到不同的硬盘驱动器。如果其中有一个硬盘驱动器坏了，将使得内容无法访问。出于这一原因，需要将这些分片（称之为奇偶校验分片）进行复制，然后发送到其他硬盘驱动器。如果频繁使用它，将减慢网络速度。用户可以自由选择他们想要拆分的奇偶校验分片数量，但随着时间的推移，一些用户丢失分片的概率还是会增加。

另一个弱点是Storj用户为租用的内容付费，因此如果租户消失，用户可能不再为他们存储的内容付费。

另一个分散式云存储选择，Storj的有效竞争对手，Sia。它是一个点对点存储生态系统，任何人都可以租用或使用备用硬盘空间。Siacoin是生态系统的加密货币，这是用于支付租用备用硬盘空间的费用。

在Sia中，你需要知道访问该文件的人员和哈希，这是与IPFS相比是一条额外所需的文件信息。

Sia有自己的区块链。虽然Storj使用文件分片技术解决了可扩展性问题，但Sia正在尝试使用该方法在整个网络中达成共识。Sia的共识机制是存储证明，而工作证明则放在以太坊链上。这种具有不同共识机制的实验，可能有助于解决与工作量证明相关的一些，可扩展性和可持续性问题。

如果在存储数据时出现任何问题，或者主机未按其指示执行，将会受到处罚。这为生态系统发挥应有的作用提供了货币激励。处罚将在每次进行存储操作时，开发的文件合同中指定，合同存储在Sia自己的区块链中。

Sia的一些关键卖点是隐私增强技术元素和自由市场结构。在下表中，可以看到它在分散和成本方面，相对于集中式结构所具有的一些优势。虽然，它尚未达到与Storj相同的采用水平，但Sia仍然为大量数据存储提供了更低的费率。

Sia没有带来去中心化的好处之一是审查抵制制度，主机可以选择拒绝存储一些数据。这有助于Sia生态系统的道德要素，主机有权拒绝非法或可疑数据。

在吞吐量和可扩展性方面，Sia的有效性依赖于存储证明作为共识机制的功效。共识机制的实验仍然是一门新兴的科学，工作证明在很大程度上被认为是最安全的，时间将证明存储证明是否是可行的替代方案。

分散式云存储正在利用，加密货币和区块链技术为数据存储提供不同的模型。Filecoin将成为IPFS的分散式云存储选项。它被设想作为自由市场，但它是否真的会以这种方式运作还有待观察。Storj是加密货币领域中最接近的比较，迄今为止最广泛采用。Storj通过使用文件分片解决了吞吐量限制，并且还具有一些强大的隐私增强优势。

分布式数据库技术

通过区块链技术建模，BigchainDB旨在成为具有区块链属性的分布式数据库。BigchainDB的结构是不可变的、分散的，并为开发人员提供了一个构建应用程序的平台。

BigchainDB是否分散是一个很有争议的问题。BigchainDB建立在RethinkDB集群之上。RethinkDB优先考虑节点的可用性超过一致性。具体事项由第一个可用节点处理，然后在之后的阶段将实现一致性。

这种系统架构实际上导致BigchainDB无法实现拜占庭容错，一个恶意节点可能会崩溃整个网络。

BigchainDB牺牲了安全性和分散化的吞吐量，这与可扩展性三难困境（指一种特定的情形，有三种选择，但任一个选择都是无法接受或不想要的）是一致的。在分散式系统中，每个节点处理的每个事务，其三个属性中只有两个可以实现。三个属性分别是块生产的分散化、可扩展性和网络的安全性。

在正常的区块链中，存在一个吞吐量的问题，这使得用于数据存储成为了问题。BigchainDB更像是一个私有区块链，它提供了一些类似区块链的元素，通过这些元素增加了吞吐量和低的延迟。真正的问题是，是否值得在安全性和去中心化之间进行权衡，并且通过权衡这些牺牲，我们不仅仅是首先使用集中式系统。

下表是BigchainDB如何证明其使用的案例优于传统数据库和区块链。

尽管有关是否分散和安全方面的争论，但BigchainDB一直都在积极发展。Ocean是基于BigchainDB构建的一个协议，它是一个用于数据存储和计算的标记化生态系统。

Ocean（海洋）协议设想了许多用于其生态系统的用例，目标是解开正在生成的大量数据，以影响人工智能（AI）行业。由于只有少数公司能够正确的使用数据，以及拥有AI的能力，因此这些公司处于一个非常强大的位置。

当大量数据可用时，AI的进展能够提高六倍，并且随着大量数据的解锁，Ocean协议设想AI的影响能够横跨多个行业，包括：自动驾驶汽车、医疗数据和计算机视觉等。Ocean协议指出的一个优点是，许多数据所有者不信任与其数据的集中交换。将BigchainDB透明和不可变的分类帐特性用于交易，对于这一方面的问题将会有所帮助。

现在与未来的数据存储

集中式服务器长期以来一直统治着数据存储领域。虽然许多服务都是免费使用的，但需要权衡有关个人隐私泄露的问题。分散式模式旨在改善集中型模式的一些低效率，并帮助增强隐私安全。

分散式技术能否在数据存储行业中大规模采用，仍有待观察。提出的不同模式，包括：对等节点文件系统、分散式云存储和分布式数据库技术；其中一个关键限制是在可扩展性、安全性和分散性之间进行权衡。为了提高吞吐量，分布式系统通常需要牺牲安全性和分散性。在加密领域，提出了不同解决方案，包括：文件分片和改变共识机制。

这些分散式的系统，在其集中式系统之上提供了许多优势。集中型模式仍然是当前的主导模式，但随着越来越多的用户和开发人员尝试使用分布式系统，分散式存储模式将会是数据存储的未来。

【往期文章】

本文由发表于Aconomy Labs网站，经由Filecoin中国社区翻译整理。