IPFS对区块链具有重要作用

区块链是一个分布式系统。然而，公链如以太坊、EOS等只实现了数据的分布式计算，没有提供数据的分布式存储。这导致分布式的区块链系统无法真正全面实现分布式。与此不同的是，IPFS（星际文件系统）协议解决了这个问题。IPFS是一个分布式文件系统，可以实现数据的分布式存储。它也是一个去中心化网络的基础设施，不同类型的应用，包括公链在内，都可以构建在IPFS的基础上。

如果说公链是"高速公路"，那么IPFS就是高速公路路面之下的重要一层。它为不同的公链和应用提供数据的分布式存储支持。

IPFS并不是全新的发明，它是几十年来分布式系统探索的结果。IPFS综合了DHT（分布式哈希表）、BitTorrent、Git和SFS（自主认证文件系统）等优秀思想。通过改进和分层设计，将这些思想组合成了一个新的系统。

本文将简化IPFS的内容，以数据的存取过程为线索，通过对IPFS最关键的三个系统技术的分析，看它是如何满足区块链数据的分布式存储需求的。

01MerkleDAG

当文件存储到IPFS系统中时，并不是以一个完整的个体被存储。文件数据会被平均分割成多个256KB大小的块，并且这些块不会存储在单个中央服务器上，而是分开存储在网络中的分布式节点中。这些节点没有特权。

实现分布式存储的难点不在于文件的切割或加密，而在于如何将这些被分割和分开存储的数据重新组合成一个文件。这正是IPFS协议的第一个关键技术——MerkleDAG。

MerkleDAG是在Git系统的基础上构建的。它是基于MerkleTree的，储存的是哈希值。IPFS上的大部分数据对象都是以MerkleDAG的结构存在。

当从网络中获取文件时，首先从可信的节点获得文件的MerkleTree树根哈希值。然后，通过从其他节点获取MerkleTree的各个节点的哈希值，通过可信的树根来检查接收到的MerkleTree节点。如果遇到损坏或虚假的节点，就从其他存储节点获取另一个MerkleTree节点，直到获得一个与可信树根匹配的MerkleTree。这样就可以从上至下获取最底层的被切割的数据哈希，最终形成一个完整正确的文件。

由于MerkleDAG是基于哈希值的，而哈希值取决于数据块的内容，因此IPFS具备内容寻址（HTTP是基于域名寻址）、防篡改和去重复的功能。

02DHT

依靠MerkleDAG，可以构建一个用于实现分布式数据存储的数据结构。但是，还需要解决MerkleDAG存储的哈希值如何定位到具体存储数据的节点的问题。也就是把数据分配给哪个网络节点来存储，以及从哪个网络节点获取存储的数据。DHT（分布式哈希表）就是用来解决这个问题的方法。

DHT是一种存储"键值对"的容器，它通过key值快速获取value值。在DHT中，key是存储数据的哈希值，通过键值对可以实现数据块与目标节点的映射关系。

哈希表被分割成不连续的块，每个节点被分配一个属于自己的哈希块，也称为区间表，并成为该哈希块的管理者。当用户存储数据时，系统对数据进行哈希运算，根据运算结果决定由哪个节点负责储存，并生成哈希表。

当用户提取数据时，使用同样的算法计算数据的哈希，然后从哈希表获取对应的数据存储位置。

03BitSwap

仅实现数据的分布式存储还不够，数据还需要在节点之间有效交换，使整个系统能高效运作。IPFS协议受到BitTorrent的启发，通过对等节点间交换数据块来分发数据。

BitTorrent是一种点对点传输的网络协议，它在存有不信任对等节点的网络中分发数据。对于一个文件，下载的用户越多，下载速度越快。即使部分网络拥堵或服务器宕机，也不会对整个系统造成太大影响。然而，BitTorrent的一个致命缺点是，节点更多地索取而不是贡献。

为了激励节点分享数据，IPFS在BitTorrent的基础上进行了创新，并引入了包括信用、策略、帐单等在内的体系。基于这一体系的新数据交换协议被称为BitSwap。

在BitSwap协议下，向其他节点发送数据可以增加节点的信用值，而从其他节点接收数据会降低节点的信用值。

此外，BitSwap获取数据块不仅限于从同一组对等节点中获取，该协议存在一个由对等节点形成的大集群，其中包括所有数据块，这使得BitSwap比BitTorrent更高效。