IPFS是什么？

星際文件系統(tǒng)(InterPlanetary File System)

本質(zhì)上是一種內(nèi)容可尋址、版本化、點對點超媒體的分布式存儲、傳輸協(xié)議，目標是補充乃至取代過去20年里使用的超文本媒體傳輸協(xié)議（HTTP），希望構(gòu)建更快、更安全、更自由開放的互聯(lián)網(wǎng)時代。

Ipfs最核心的技術(shù)是p2p，原來是中心化的服務(wù)器在分發(fā)內(nèi)容，現(xiàn)在我們想要下載某一個內(nèi)容，可以直接建立一個連接，也可以跟其他人連接，迅雷也是這種模式，它是一個虛擬的p2p中心網(wǎng)絡(luò)，這里不多細講。

為什么需要IPFS？

HTTP的中心化是低效的, 并且成本很高

油管上，鳥叔的“江南style”這個視頻，累計被播放30億次，假設(shè)這個文件100MB大小，則播放這個視頻浪費300Petabytes（1P=1,000,000GB）的網(wǎng)絡(luò)流量，按照0.01USD/GB算CDN成本，谷歌將支付300W美金給ISP服務(wù)商。

使用HTTP協(xié)議每次需要從中心化的服務(wù)器下載完整的文件(網(wǎng)頁, 視頻, 圖片等), 速度慢, 效率低。如果改用P2P的方式下載, 可以節(jié)省近60%的帶寬。

Web文件經(jīng)常被刪除

http的頁面平均生存周期大約只有100天，Web文件由于存儲成本太高經(jīng)常被刪除，無法永久保存。

IPFS提供了文件的歷史版本回溯功能(就像git版本控制工具一樣), 可以很容易的查看文件的歷史版本, 且數(shù)據(jù)無法刪除，可以得到永久保存。

中心化限制了web的成長

現(xiàn)在使用的互聯(lián)網(wǎng)其實是由數(shù)百萬個分布在世界各地的服務(wù)器構(gòu)成的。世界最大的芯片制造廠商 Intel 有大約10萬臺服務(wù)器，F(xiàn)acebook有3萬臺，美國最大的電話公司 AT&T 也有2萬臺，而 Google有超過100萬臺服務(wù)器。

在現(xiàn)有的http協(xié)議下，所有的數(shù)據(jù)都保存在這些巨頭的服務(wù)器上，這是高度中心化的。巨頭不但對我們的數(shù)據(jù)有絕對的控制權(quán)和解釋權(quán)，各種各樣的監(jiān)管，封鎖，監(jiān)控一定程度上也極大的限制了創(chuàng)新和發(fā)展。

建立在去中心化的分布式網(wǎng)絡(luò)上的IFPS很難被中心化管理和限制，互聯(lián)網(wǎng)將更加開放。

互聯(lián)網(wǎng)應用高度依賴互聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)

過于中心化，為了支撐http協(xié)議，服務(wù)器7*24小時開啟，對于大流量公司，比如百度、騰訊、阿里等，投入大量資源維護服務(wù)器和安全隱患，防止DDoS，XSS，CSRF等攻擊。

主干網(wǎng)絡(luò)受制于戰(zhàn)爭，自然災害，中心服務(wù)器宕機等因素，都可能造成整個互聯(lián)網(wǎng)中斷服務(wù)。

IPFS可以極大的降低對中心主干網(wǎng)絡(luò)的依賴。

IPFS如何工作？

IPFS為每一個文件分配一個獨一無二的哈希值(文件指紋: 根據(jù)文件的內(nèi)容進行創(chuàng)建), 即使是兩個文件內(nèi)容只有1個比特的不相同，其哈希值也是不相同的。所以IPFS是基于文件內(nèi)容進行尋址， 而不像傳統(tǒng)的HTTP協(xié)議一樣基于域名尋址。

IPFS在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)去掉重復的文件, 并且為文件建立版本管理, 也就是說每一個文件的變更歷史都將被記錄(這一點類似版本控制工具git,svn等), 可以很容易個回到文件的歷史版本查看數(shù)據(jù)。

當查詢文件的時候, IPFS網(wǎng)絡(luò)根據(jù)文件的哈希值(全網(wǎng)唯一)進行查找。 由于每個文件的哈希值全網(wǎng)唯一, 查詢將很容易進行。

如果僅僅使用哈希值來區(qū)分文件的話，會給傳播造成困難，因為哈希值不容易記憶，就像ip地址一樣不容易記憶，于是人類發(fā)明的域名。IPFS利用IPNS將哈希值映射為容易記的名字。

每個節(jié)點除了存儲自己需要的數(shù)據(jù)，還存儲了一張哈希表， 用來記錄文件存儲所在的位置，用來進行文件的查詢下載。

IPFS的架構(gòu)

IPFS 協(xié)議棧

身份       S/Kademlia生成     對等身份信息生成

網(wǎng)絡(luò)       任意傳輸層協(xié)議     ICE NET & NAT穿透

路由       分布式松散哈希表（DSHT）    定位對等點和存儲對象需要的信息

交換       BitTorrent& BitSwap     管理區(qū)塊如何分布

對象       Merkle-DAG     內(nèi)容可尋址的不可篡改、去冗余的對象鏈接

文件       類似Git 版本控制的文件系統(tǒng)：blob,list, tree, commit

命名       具有SFS（Self-CertifiedFilesystems）IPNS：DAG對象命名可變

應用       在IPFS上運行的應用程序利用最近節(jié)點提供服務(wù)提供效率、降低成本

身份層和路由層

對等節(jié)點身份信息的生成以及路由規(guī)則是通過Kademlia協(xié)議生成制定，KAD協(xié)議實質(zhì)是構(gòu)建了一個分布式松散Hash表（distributedhash table），簡稱DHT，每個加入這個DHT網(wǎng)絡(luò)的人都要生成自己的身份信息，然后才能通過這個身份信息去負責存儲這個網(wǎng)絡(luò)里的資源信息和其他成員的聯(lián)系信息。

網(wǎng)絡(luò)層

LibP2P可以支持任意傳輸層協(xié)議。

ICE NAT traversal框架整合STUN、TURN和其他類型的NAT協(xié)議，該框架可以讓客戶端利用各種NAT方式打通網(wǎng)絡(luò)，從而完成NAT通信，這對于IPFS的p2p網(wǎng)絡(luò)非常重要。

交換層

類似迅雷這樣的BT工具，IPFS團隊把BitTorrent進行了創(chuàng)新，叫作Bitswap，它增加了信用和帳單體系來激勵節(jié)點去分享，用戶在發(fā)送給其他節(jié)點數(shù)據(jù)可以增加信用值，從其他節(jié)點接受數(shù)據(jù)降低信用值。如果用戶只去接收數(shù)據(jù)而不分享數(shù)據(jù)，信用分會越來越低而被其他節(jié)點忽略掉。

對象層和文件層

共同管理IPFS上80%的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

大部分數(shù)據(jù)對象都是以MerkleDag的結(jié)構(gòu)存在，這為內(nèi)容尋址和去重提供了便利。

文件層是一個新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，和DAG并列，采用Git一樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來支持版本快照。

命名層

具有自我驗證的特性（當其他用戶獲取該對象時，使用指紋公鑰進行驗簽，即驗證所用的公鑰是否與NodeId匹配，這驗證了用戶發(fā)布對象的真實性，同時也獲取到了可變狀態(tài)），并且加入了IPNS這個巧妙的設(shè)計來使得加密后的DAG對象名可定義，增強可閱讀性。

應用層

IPFS核心價值就在于上面運行的應用程序，可以利用它類似CDN的功能，在成本很低的帶寬下，去獲得想要的數(shù)據(jù)，從而提升整個應用程序的效率。

IPFS家族

IPFS項目其實很大，并不是一個東西，IPFS是由很多模塊組成，每一個模塊現(xiàn)在都已經(jīng)獨立成項目了，并且有自己的主頁。

協(xié)議實驗室的主頁：https://protocol.ai/projects/

在協(xié)議實驗室的主頁上面，可以找到目前的五個項目，來簡單看一下IPFS家族成員：

 Filecoin

IPFS只是一個協(xié)議, 并不是挖礦軟件本身。Filecoin系統(tǒng)才是挖礦軟件本身, 代幣名字是 FIL。Filecoin使用了IPFS 協(xié)議來運行系統(tǒng)。

FIL代幣總共有20億枚。分配方案，總共有四個部分組成：

70%作為挖礦的回報：像比特幣一樣根據(jù)挖礦的進度逐步分發(fā)

15%預留Protocol Labs：作為研發(fā)費用, 6年逐步解禁

10%分配給ICO投資者： 根據(jù)挖礦進度, 逐步解禁

5%預留給Filecoin基金會： 作為長期社區(qū)建設(shè), 網(wǎng)絡(luò)管理等費用,  6年逐步解禁

私募時間：2017.07.21-2017.7.24

成本：0.75美元

行權(quán)期：1-3年，折扣額0-30%

參與人數(shù)：150+人

募集金額：0.52億美元

公募時間：2017.08.07-2017.09.07

成本：1-5美元

行權(quán)期：1-3年，折扣額0-30%

參與人數(shù)：2100+人

募集資金：2.05億美元

Filecoin與挖礦市場

Filecoin存儲市場(Filecoin Storage Market)

數(shù)據(jù)存儲市場所需要貢獻的就是硬盤存儲空間，越多的硬盤空間，挖礦能力就越高，存儲市場采用的工作量證明是PoS(Power of Storage)證明，根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)大小來按比例分配FIL

Filecoin數(shù)據(jù)檢索市場(Filecoin  Retrieval Market)

數(shù)據(jù)檢索市場貢獻帶寬，根據(jù)訪問數(shù)據(jù)的流量來分配FIL

Filecoin場景

用戶場景：

1.用戶提交數(shù)據(jù)存儲訂單（PUT）給Filecoin系統(tǒng)

2.用戶提價數(shù)據(jù)檢索訂單（GET）給Filecoin系統(tǒng)

3.如果上述訂單達成，用戶支付FIL以獲取相應的服務(wù)

存儲礦工場景：

1.在區(qū)塊鏈上注冊自己硬盤空間，注冊完成后硬盤空間將被記錄到區(qū)塊鏈的配置表里面

2.接受訂單，用戶提交的存儲訂單（PUT）

3.訂單交易達成后，雙方對交易進行簽名，礦工完成數(shù)據(jù)存儲，交易完成后該交易被記錄到區(qū)塊

4.用戶獲取到對應的支付

檢索礦工場景：

1.接受訂單，用戶提交數(shù)據(jù)查詢訂單（GET）

2.交易達成后，雙方對交易進行簽名，礦工把數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，該交易提交到區(qū)塊

Filecoin證明

數(shù)據(jù)持有性證明（Provable Data Possession ，PDP)：用戶發(fā)送數(shù)據(jù)給礦工進行存儲，礦工證明數(shù)據(jù)已經(jīng)被自己存儲，用戶可以重復檢查礦工是否還在存儲自己的數(shù)據(jù)

可檢索證明（Proof-of-Retrievability，PoRet）：和PDP過程比較類似，證明礦工存儲的數(shù)據(jù)是可以用來查詢的

存儲證明（Proof-of-Storage ，PoS）：利用存儲空間進行的證明。工作量證明的一種，F(xiàn)ilecoin上一篇論文使用了這個名字，新的論文則升級為PoRep

復制證明（Proof-of-Replication，PoRep）：新的 PoS（Proof-of-Storage），PoRep可以保證每份數(shù)據(jù)的存儲都是獨立的，可以防止女巫攻擊，外源攻擊和生成攻擊

工作量證明（Proof-of-Work，PoW）：證明者向檢驗者證明自己花費了一定的資源，PoW被用在加密貨幣，拜占庭共識和其他各種區(qū)塊鏈系統(tǒng)。BTC使用的就是這種類型的證明，依賴巨量的哈希計算和能源消耗來建立共識和保證btc網(wǎng)絡(luò)的安全性

空間證明（Proof-of-Space，PoSpace）：Filecoin提出的概念，存儲量的證明，PoSpace是PoW的一種，不同的是PoW使用的計算資源，而PoSpace使用的是存儲資源

時空證明（Proof-of-Spacetime，PoSt)：時空證明，礦工證明自己花費了spacetime資源,即：一定時間內(nèi)的存儲空間的使用，PoSt是基于PoReps實現(xiàn)的

Libp2p

IPFS團隊將點對點(peer-to-peer)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層從IPFS工程里面分離出來，形成一個獨立的項目，這就是libp2p。該項目不僅可以供IPFS使用，也可以提供其它項目使用，作為一個p2p工程的底層協(xié)議存在。

主要功能：

發(fā)現(xiàn)節(jié)點

連接節(jié)點

發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)

傳輸數(shù)據(jù)

 IPLD

IPLD定義了基于內(nèi)容尋址的統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型。它是一個轉(zhuǎn)換器，可以把現(xiàn)有的異構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（基于內(nèi)容尋址）統(tǒng)一成一種格式，方便不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和互操作。

通過哈希進行內(nèi)容尋址的技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于各種分布式系統(tǒng)。從加密貨幣的區(qū)塊鏈到備份代碼的每一次提交，再到各種web內(nèi)容，他們背后的邏輯幾乎是相同的，然后由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不兼容，造成了這些數(shù)據(jù)無法互相操作。IPLD作為中間層統(tǒng)一了這些異構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得不同的數(shù)據(jù)可以進行數(shù)據(jù)交換。

IPLD的組成：

CID（Self-describingcontent-addressed identifiers for distributed       systems）：基于內(nèi)容尋址的自我描述標識

IPLDtree：基于 JSON、Protobuf和路徑導航的跨協(xié)議的數(shù)據(jù)模型

IPLD Resolvers: IPLD轉(zhuǎn)換器，可以添加新的協(xié)議到IPLD里面

Multiformats

Multiformats是一系列協(xié)議的集合，它在現(xiàn)有協(xié)議基礎(chǔ)上對值（值：通常是具有某一項表達意義的）進行自我描述改造，即從值上就可以知道該值是如何產(chǎn)生的。

當前multiformats協(xié)議里面包含以下協(xié)議。

            multihash- self-describing hashes

            multiaddr- self-describing network addresses

            multibase- self-describing base encodings

            multicodec - self-describingserialization

            multistream- self-describing stream network protocols

            multigram(WIP) - self-describing packet network protocols

通常情況下我們使用的哈希計算方法都是某一種實現(xiàn)方式，比如sha1，sha2-256等。哈希計算在軟件工程里面幾乎隨處可見，特別是區(qū)塊鏈項，multiformats將所有的哈希值計算統(tǒng)一成同樣的格式，為系統(tǒng)開發(fā)帶來很多好處

以multihash為例：

升級后的哈希值的結(jié)構(gòu)為：

<hash-func-type><digest-length><digest-value>

<哈希函數(shù)類型><摘要長度><摘要值>

有一個使用sha2-256函數(shù)生成的哈希值（如下），其長度為32（16進制0x20）：

41dd7b6443542e75701aa98a0c235951a28a0d851b11564d20022ab11d2589a8

規(guī)定sha2-256的代表數(shù)字為12(16進制)，于是得出來新的哈希值：

122041dd7b6443542e75701aa98a0c235951a28a0d851b11564d20022ab11d2589a8

新的哈希值具有自我描述性質(zhì)，它說明了自己是怎么來的

IPFS應用及意義

可以為內(nèi)容創(chuàng)作帶來一定的自由

代表應用：

Akasha（ https://blog.akasha.world ）是一個基于以太坊和IPFS的社交博客創(chuàng)作平臺，用戶創(chuàng)作的博客內(nèi)容通過一個IPFS網(wǎng)絡(luò)進行發(fā)布，而非中心服務(wù)器。

同時，用戶和以太坊錢包賬戶進行綁定，用戶可以對優(yōu)質(zhì)內(nèi)容進行ETH打賞，內(nèi)容創(chuàng)作者能以此賺取ETH，如同人腦挖礦一樣。它沒有太多監(jiān)管的限制，也沒有中間商抽成，內(nèi)容收益直接歸創(chuàng)作者所有。

可以降低存儲和帶寬成本

代表應用：

Dtube（https://d.tube）是一個搭建在Steemit上的去中心化視頻播放平臺，其用戶上傳的視頻文件都經(jīng)過IPFS協(xié)議進行存儲，具有唯一標識。相較于傳統(tǒng)視頻網(wǎng)站，它降低了同資源冗余程度，同時大大節(jié)約了海量用戶在播放視頻時所產(chǎn)生的帶寬成本。

可以與區(qū)塊鏈完美結(jié)合

代表應用：

EOS引以為傲的是可以支持百萬級別TPS的并發(fā)量，其中除了DPOS共識機制的功勞之外，還歸功于其底層存儲設(shè)計是采取IPFS來解決大型數(shù)據(jù)的傳輸效率。

EOS將自己打包好的區(qū)塊數(shù)據(jù)通過IPLD進行異構(gòu)處理，統(tǒng)一成一種便于內(nèi)容尋址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，并掛載到IPFS的link上，讓IPFS網(wǎng)絡(luò)承擔存儲和P2P檢索的邏輯，而不消耗EOS區(qū)塊鏈系統(tǒng)本身太多的計算資源。

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