編者按：本文來自BlockVC（ID：blockvcfund），Odaily經授權轉載。
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在比特幣系統運行超過五年後，以以太坊為代表的新一批區塊鏈技術驅動的創新項目開始嶄露頭角，IPFS，the InterPlanetary File System，中文名行星際文件系統，也是在這一時期由Juan Benet於2014年創立。 Benet發布了一份白皮書草案，描述了“對等分佈式文件系統，該系統試圖將所有計算設備與同一文件系統連接在一起”。同年，Benet還成立了Protocol Labs，這是一個用於網絡協議的研究實驗室，也是IPFS的總公司，併申請加入享有聲望的初創企業孵化器Y Combinator，後者接受了Protocol Labs團隊進入其2014年夏季研究。 2015年2月，IPFS阿爾法版本向公眾開放測試；一年後，Protocol Labs完成了來自包括DCG的三百萬美元融資。 2017年，ICO浪潮隨著ETH的價格暴漲與EOS等項目的巨額融資，Protocol Labs發行了與IPFS協議配套的激勵層區塊鏈項目Filecoin，並在CoinList上完成了2.57億美元的巨額公募。根據當時Filecoin披露的資料顯示，截至17年6月，IPFS網絡商已經存儲了超過50億份獨特內容文件，且數據在持續增長。
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圖1：Filecoin Primer成果展示，Protocol Labs
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經過七年時間發展，IPFS存儲網絡目前已成長為全球性的分佈式存儲選擇，而Filecoin區塊鍊主網也在數次推遲之後暫定於2020年7-8月正式上線，千呼萬喚使出來的FIL代幣也將正式上線。自2018年開始，中國區塊鏈與數字資產行業始終對IPFS技術與生態進展保持高度關注，並發展出了圍繞IPFS與File coin的繁榮生態。本篇研報將從分佈式存儲的發展沿革、技術的第一性角度出發闡述IPFS的技術與應用，並延展至建立在IPFS上的Filecoin激勵邏輯，展現圍繞IPFS展開的生態圖景。
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一．分佈式存儲的昨天與今天
1. “前區塊鏈時代”的分佈式存儲
磁力鏈接亦在此基礎上發展，其不基於文檔的IP地址或定位符，而是在分佈式數據庫中，通過散列函數值來識別、搜索來下載文檔，即每種文件內容均有唯一哈希值作為ID，使用分佈式哈希表技術實現全網絡的尋址與存儲。因為不依賴一個處於啟動狀態的主機來下載文檔，所以特別適用沒有中心服務器的對等網絡。
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區塊鏈本身便是綜合了分佈式存儲、非對稱加密並基於共識算法的技術，基於區塊鏈技術的分佈式存儲解決方案和BT協議技術上相同點為，均對要存儲的文件進行了分片，並把片段存在各個節點上。在這一方案中，因區塊鏈技術對於數據加密和隱私的保護、去中心化帶來的不可篡改等特性，完美的勝過了中心化服務器。
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在這類解決方案中，通常都設計有激勵層的代幣獎勵——即當節點將自己的存儲資源貢獻給網絡時，可以獲得該網絡對應的生態代幣。目前應用區塊鏈技術做存儲的項目有IPFS、Storj、Sia等。
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二． IPFS技術應用與原理：HTTP傳輸協議、Git版本控制協議與BitTorrent傳輸協議的精妙組合
1. 從第一性原理出發看IPFS的本質
IPFS本質上一種文件共享和傳輸協議，例如HTTP超文本傳輸協議，它是現代互聯網上最成功，最主要的傳輸協議之一。但是，與遵循客戶端-服務器模型的HTTP不同，IPFS是一個既可以服務又可以請求數據的分佈式節點網絡。
此模型以及HTTP的缺點如下：
集中式網絡：因為Web元素和數據是從單個主機服務器請求的，所以它使這些中央服務器容易受到DDOS攻擊和數據攻擊。這些集中化的網絡使自己可以接受政府或機構的審查。 2017年，西班牙政府響應加泰羅尼亞獨立公投，審查了與公投有關的多個網站和應用程序。
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高效的結構：在IPFS上，每個節點都可以向節點對等方提供內容或從節點對等方請求內容。網絡上的節點越多，數據傳輸就越有效。 IPFS上的客戶端不是一次請求一個Web元素來完成一個網頁，而是從多個節點請求多個Web元素。作為一個高度簡化的示例，使用客戶端-服務器模型的具有四個Web元素的網頁將需要四個客戶端請求，並且服務器響應會依次執行以完全交付該頁面。使用IPFS，將一次向四個服務器發出四個客戶端請求以交付頁面。
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分佈式網絡：IPFS上的節點被分配並擁有相等的功率，而不是單個服務器場來存儲和傳遞數據。如果一個節點受到攻擊或關閉，仍然可以從網絡上的其他節點檢索數據。分佈式網絡降低了審查的攻擊面。為了回應西班牙政府的審查行為，加泰羅尼亞政府使用IPFS上傳了以前被禁止的網站，並向公眾開放。
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可以看出，通過以上兩點主要區別，IPFS相比HTTP協議，實現了信息永久存儲且不可篡改和刪除以及資源共享。 IPFS通過內容尋址，不存儲重複文件，節省存儲空間的同時，分佈式特性和加密存儲讓整個網絡相比百度雲等存儲方案相比可以避免單點故障並提供更好的隱私安全性。從長遠來看，IPFS協議的和新特性相較HTTP有顯著的優勢，IPFS與HTTP協議取長補短、逐步融合的趨勢將不可避免。
為了實現以上特性，IPFS的技術設計路線綜合了多種已有的分佈式系統和存儲技術，並在此基礎上進行創新，可以算是區塊鏈技術在分佈式存儲領域的集大成者。
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分佈式哈希表：分佈式哈希表DHT是一種分佈式系統，用於存儲和檢索與對等節點網絡上的鍵關聯的“值”也就是數據。每個值對應一個不同的鍵，該鍵提供訪問該值所需的權限。在DHT上，所有信息均勻地分佈在節點之間，並且每個節點都有相等的機會被選擇來存儲值和密鑰對。
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IPFS利用Kademila DHT，Coral DSHT，S / Kademila的DHT實施來提高查找效率並減少Sybil攻擊等攻擊媒介。
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圖3：分佈式哈希表示意圖，Wikipedia.org
BitTorrent：BitTorrent是成功的對等文件共享協議。在2018年，該協議負責了全球互聯網流量的4.16％。 IPFS利用BitTorrent的數據交換協議來獎勵資源貢獻節點並懲罰資源洩漏節點。
Git（版本控制系統）：版本控制系統記錄一段時間內對文件的更改，以便用戶可以隨時訪問特定版本。 Git已實施了一個分佈式版本控制系統，該系統使一組分佈式貢獻者能夠跟踪多方對文件的更改。 IPFS已在其協議上實現了此控制系統。在IPFS上，網絡上存儲的數據被分為多個片段，這些片段由網絡上的節點保存。通過實施版本控制，IPFS確保正確組織這些片段，並正確更新文件更改。
SFS（自認證文件系統）：SFS是分佈式文件命名系統。 IPFS在其星際名稱系統（IPNS）中使用它。使用IPNS，用戶可以生成鏈接到IPFS內容的可驗證地址。
3. IPFS的協議棧
IPFS協議包括如下七個子協議：
身份：IPFS節點收到一個NodeId，這是其公鑰的加密哈希。 NodeId可幫助識別IPFS網絡中的節點。當節點連接時，它們交換公共密鑰，並檢查加密哈希與公共密鑰是否匹配。如果它們匹配，則建立連接；如果不是，則節點斷開連接。
網絡：IPFS幫助管理其網絡上對等節點的連接，並提供傳輸，可靠性，連接性，完整性和真實性功能。 IPFS還被設計為在其他協議之上工作，從而使其註釋能夠使用其multiaddr功能創建自定義地址。
文件：IPFS可以基於Merkle有向無環圖對控製文件系統分層架構進行建模。
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圖4：使用IPFS的項目Mapping Out，The Block Research
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三． Filecoin：基於的激勵機制及公鏈系統
如上文闡述，IPFS 協議定義了文件在分佈式系統中如何存儲、檢索和傳輸，能永久、去中心化保存和共享文件，這是一種內容可尋址、點對點分佈式協議。儘管協議層面早已取得一系列進展，但激勵機制的缺失讓IPFS的進一步發展受阻。
而Protocol Labs 在2017年推出的Filecoin（代幣FIL）是一個在IPFS網絡之上的激勵應用層及區塊鏈公鏈系統，Filecoin 主要依託於IPFS 提供的分佈式存儲技術、以太坊智能合約實現的鏈上與鏈下交易市場、libp2p 實現的高效節點發現與數據傳輸等。
Filecoin通過存儲、檢索、區塊獎勵三種收益，來刺激節點的長期運行，更好的為整個網絡生態服務。在FIL 總發行量為20 億枚，礦工獎勵佔70%， Protocol Labs 獲得15%，公募及私募投資者佔10%，基金會則保留5% 做生態發展。 FIL 發行速度分為三個部分：礦工獎勵六年內發行50%；基金會及Protocol Labs 六年內線性釋放；投資者一年內分發完畢。
1. Filecoin共識與挖礦機制
預期共識具備公平性、不可預知性及可驗證性。 Filecoin 對每個生成的區塊賦予權重，權重最大的鏈成為主鏈。區塊權重取決於兩個因素：一是父母塊Parents Block的數量；二是鏈的存儲能力。由於Filecoin 有抵押機制，礦工會傾向挖父母塊最多且乘載最高存儲能力的鏈，實現有效收斂。
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在EC共識中礦工贏得選舉的可能性跟礦工當前的存儲能力成正比，而存儲能力則由複制證明和時空證明來衡量。時空證明可以利用證明鍊及時間戳證明礦工在一定時長內存儲數據，即使驗證者不在線，也能夠在未來去驗證礦工在該段時間內生成了證明鏈，有效防止臨時生成數據攻擊。
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而復制證明可以證明數據已經在一個特定的扇區創建成功。並且防範女巫攻擊、外部數據源攻擊以及生成攻擊。複製證明避免讓礦工可以透過不同方法讓自身存儲數據小於承諾存儲數據，以獲得額外報酬。
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圖5：複製證明防範攻擊，Protocol Labs
當礦工想添加一個扇區至Filecoin 網絡時，他需要質押一筆鎖定資金。這個鎖定資金由兩個部分組成：礦工自身持有的FIL 代幣以及部分區塊獎勵。如果礦工在承諾的存儲時長內離線，他就會損失一部分的鎖定資金。如果礦工完全停止存儲行為，那他則可能將失去所有鎖定代幣。
在Filecoin中，有內置的存儲和檢索兩個市場可供礦工參與挖礦與記賬，通過報價和搶單系統，保證礦工提供服務時獲得用戶支付的代幣。存儲礦工在市場上提供硬盤容量，獲得用戶的存儲費用，同時，存儲礦工通過時空證明，獲得創建新區塊（挖礦）的權利，獲得挖礦獎勵；檢索礦工幫助用戶從IPFS 網絡上檢索提取已經保存的內容地址，從而獲得檢索挖礦獎勵。
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檢索市場：Filecoin 檢索市場為鏈下市場，提供客戶檢索所需要的數據，並且由檢索礦工來提供檢索服務。檢索礦工不參與區塊生成環節，直接從客戶端獲取相應服務費用。檢索礦工數據來源可以是來自其他客戶端、存儲礦工或是IPFS 網絡。
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存儲市場及檢索市場有四個差別：第一，檢索礦工存儲數據沒有時間要求，也不需要生成存儲證明。第二，網絡中的任何用戶都可以通過為客戶提供數據檢索服務，不需要質押FIL。第三，檢索礦工對寬帶帶寬要求高，需要快速進行支付及數據傳輸，存儲礦工則對存儲能力要求較高。第四，存儲礦工可以獲得區塊獎勵、交易費及網絡加速費，檢索礦工只能獲得檢索交易費。
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圖6：Filecoin經濟模型，ipfs.cn
經由以上分析，我們可以看出Filecoin 與比特幣網絡不同的地方主要在於提供服務性質差異：存儲是長時間的服務，因此Filecoin網絡需要礦工長時間穩定工作參與挖礦維持網絡的穩定，而非像比特幣網絡一樣，礦工可以自由進出。因此Filecoin 採用網絡基準獎勵模型而非時間指數衰減模型。這就導致家庭存儲硬件在運維、安全、穩定等角度都難以達到參與Filecoin挖礦的要求，一般家庭環境下很難保證24小時不斷網斷電，並且還要及時提交時空證明，所以家庭挖礦的礦機將被證偽，礦工的門檻大概率提高至專業規模化的水平。
在真實的世界環境中， Filecoin上線初期大概率並不會有太多真實的存儲需求，所以早期參與礦工的收益主要是區塊獎勵，而這個階段礦工存儲的有效數據大部分都將是自己刷單存儲的數據。
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檢索需求早期主要來自有價值化信息需求的區塊鏈用戶。早期IPFS網絡存儲的內容尚未規模化，檢索服務相較中心化網絡同樣較無優勢。隨著IPFS 存儲市場逐漸規模化，可供用戶檢索的文件越來越多，檢索礦工的重要性及收益也會逐步提升。 FIL 的價格對檢索礦工影響不大，檢索礦工收益只有交易費，並不包含區塊獎勵。檢索礦工最優策略是同時成為存儲礦工，並適當降低報價，以獲得更多的檢索訂單，同時提高網絡帶寬利用率。在這個情況下，檢索礦工可以直接從客戶端獲取數據。
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當Filecoin網絡上有一定數量的真實數據的時候，就會產生檢索需求，礦工就會有檢索挖礦的收益。這三部分的收益是相輔相成的，只有在前期佔據一定算力優勢的礦工節點才會獲得更多的存儲訂單，有越多的真實存儲訂單，存儲礦工的服務器裡存儲的有效數據越多，在後期檢索挖礦階段也相應可以獲得更多的檢索獎勵。從這個發展路徑中我們不難看出類似互聯網中共享經濟的發展模式。
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圖7：Filecoin經濟模型，ipfs.cn
根據對Filecoin 投資者、Protocol Labs、基金會及礦工的產幣量進行的統計，預計前6個月每個月總產幣為3411萬枚，第一年總產量為3億6513萬枚。
宏觀角度看，由於各類礦工都需要質押FIL以獲得區塊獎勵，且FIL 代幣為線性逐步釋放，因此預期供給端緩慢增長而增長率指數遞減。從長期來看，如果需求端的服務需求逐步增長，決定了市場各參與方必須持續購買FIL。
Filecoin 作為分佈式存儲網絡，FIL的核心應用場景在於商用存儲客戶的使用，以及礦工的挖礦抵押，但前者在網絡上線初期勢必難以達到當今行業的高期待。在Filecoin 存儲網絡還未完全完善的情況下，大規模企業商用資料存儲會消耗大量的時間與硬件資源，這意味它在主網上線早期階段大規模商用暫時還不現實。
因此在Filecoin網絡真正成熟穩定且有海量商用存儲需求真實湧入之前，FIL 幣價將主要由購幣抵押的礦工以及二級市場投資者支撐，礦工與存儲空間的增長情況以及二級市場的投資炒作熱度會在很大程度決定FIL 的幣價走勢。
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四． IPFS生態圖景
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結語
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