淺談區(qū)塊鏈對于文件存儲系統(tǒng)的變革

常漢杰 付賽紅 石志明

摘 要： 文件存儲從早期的單機(jī)存儲、移動盤存儲、NAS存儲，發(fā)展到目前的云存儲。隨著云中心因經(jīng)營問題導(dǎo)致的系統(tǒng)關(guān)閉及不斷暴露的安全問題，使用戶對數(shù)據(jù)存儲的性能、安全性、隱私保護(hù)等要求越來越高。區(qū)塊鏈具有去中心化、集體維護(hù)、數(shù)據(jù)防篡改和分布式運(yùn)行等特點。區(qū)塊鏈與文件系統(tǒng)相結(jié)合后，數(shù)據(jù)的存儲管理由系統(tǒng)自維護(hù)，無需任何中心化機(jī)構(gòu)參與。文章針對目前云存儲的缺點，以IPFS文件系統(tǒng)為例做了探討。

關(guān)鍵詞： 區(qū)塊鏈； 云存儲； 數(shù)據(jù)安全； IPFS

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2019）03-101-04

Discussion on the changes to file storage system by block chain

Chang Hanjie， Fu Saihong， Shi Zhiming

（Haining College of Zhejiang Radio and Television University， Haining， Zhejiang 314400， China）

Abstract： File storage has evolved from early single storage， mobile disk storage， and NAS storage to the current cloud storage. However， with the closure of the cloud center system caused by business problems， and security problems constantly exposed recently， people are increasingly demanding for the storage performance of file storage， data security， and privacy protection and so on. Block chain has the characteristics of decentralization， collective maintenance， data tamper-proof， and distributed operation. When block chain is combined with file system， the system maintains the management of data storage by itself， without any centralized organization involved. Aiming at the shortcomings of cloud storage， this paper takes IPFS file system as an example to make a discussion.

Key words： block chain； cloud storage； data security； IPFS

0 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，存儲數(shù)據(jù)正以幾何級數(shù)的方式不斷上升，數(shù)據(jù)存儲的容量問題及數(shù)據(jù)存儲的有效性和安全性一直是人們所關(guān)注的問題。

在IDC的一份報告中指出，到2020年全球數(shù)據(jù)量將達(dá)到44ZB（1ZB=10億TB=1萬億GB），并且還會不斷的快速增長[1]。數(shù)據(jù)的快速增長主要來自于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、社交媒體數(shù)據(jù)、視頻和照片、服務(wù)數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等。如此龐大的增量數(shù)據(jù)的存儲目前主要靠各類云數(shù)據(jù)中心來解決，數(shù)據(jù)的安全性全依賴于各中心的技術(shù)能力的職業(yè)操守。媒體不斷曝光的用戶數(shù)據(jù)丟失、隱私被曝光和機(jī)密數(shù)據(jù)被盜等客觀上也反映出云數(shù)據(jù)中心存在的問題和缺陷，從而影響著大眾對該技術(shù)的信任，阻礙了如物聯(lián)網(wǎng)等具有高度私密性的其他相關(guān)技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

目前正在研究和推廣的區(qū)塊鏈技術(shù)理論上可以解決上述問題。關(guān)于區(qū)塊鏈技術(shù)的定義目前還沒有完全統(tǒng)一，百度百科有二條對于區(qū)塊鏈定義：1、區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际綌?shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機(jī)制、加密算法等計算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式；2、區(qū)塊鏈（Blockchain）是比特幣的一個重要概念，它本質(zhì)上是一個去中介化的數(shù)據(jù)庫，同時，作為比特幣的底層技術(shù)，是一串使用密碼學(xué)方法相關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊，每一個數(shù)據(jù)塊中包含了一次比特幣網(wǎng)絡(luò)交易的信息，用于驗證其信息的有效性（防偽）和生成下一個區(qū)塊[2]。

本文主要介紹如何通過區(qū)塊鏈技術(shù)從容量的擴(kuò)容上和數(shù)據(jù)的安全性上作探討和介紹。

1 數(shù)據(jù)存儲方式的變遷

技術(shù)的進(jìn)步使單個存儲設(shè)備的容量不斷攀升，但任何單個存儲設(shè)備存儲容量都會有一個的極限值，且安全性難以得到保證，因此新的存儲模式也應(yīng)運(yùn)而生。

1.1 提高單個存儲設(shè)備的容量及局限性

外存儲器從當(dāng)初的穿孔卡紙，磁盤，磁帶，再到后來采用的溫徹斯特技術(shù)的硬盤，存儲容量也從bit，Kbit，Mbit，Gbit，發(fā)展到現(xiàn)在用T來衡量存儲容量了。以目前的普通硬盤來說，能達(dá)到10T容量已經(jīng)是相當(dāng)高了，但以一部4K高清電影，容量大概為100G左右，也僅能存放100部電影而已，接下來5G的傳輸速度將達(dá)到每秒10G，寫滿一個硬盤也僅輸幾秒鐘的時間而已[3]。所以目前的單個存儲設(shè)備將越來越難于滿足人們對于數(shù)據(jù)存儲的需求。

1.2 云存儲的應(yīng)用和不足

云存儲是在云計算（cloud computing）概念上延伸和發(fā)展出來的一個新的概念，是一種新興的網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)，是指通過集群應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)等功能，將網(wǎng)絡(luò)中大量的各種不同類型的存儲設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來協(xié)同工作，共同對外提供數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問功能的系統(tǒng)[4]。

1.2.1 云存儲的優(yōu)勢

通過云存儲系統(tǒng)用戶可以將自己的需要保存的文件全部放入“云”即可，需要時再從“云”上搬下來。目前應(yīng)用比較成熟的云存儲有亞馬遜的S3，微軟Azure，谷歌云，蘋果iClound，阿里云OSS等產(chǎn)品。云存儲總量理論上可以無限擴(kuò)大，用戶使用云產(chǎn)品只需按需購買存儲容量，不用再擔(dān)心云存儲容量問題。

1.2.2 云存儲的私密性問題

一份來自于Twinstrata公司的云存儲的使用調(diào)查情況來看，只有20%左右的人愿意將私人數(shù)據(jù)存放“云”中?？此茝?qiáng)大的云中心也會因為各種問題而出現(xiàn)運(yùn)行故障或數(shù)據(jù)丟失泄露等情況。近年來比較大的云安全事故有：著名網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商CloudFlare云在2017年出現(xiàn)了泄露海量用戶數(shù)據(jù)長達(dá)數(shù)月；2016年Uber泄露了700萬名司機(jī)的個人資料；2018年Facebook竟出現(xiàn)了5000萬用戶的數(shù)據(jù)泄露，賬戶可能被盜用等安全事故；2018年6月圓通快遞10億條快遞信息被泄露[5]。

大型機(jī)構(gòu)信息泄露事故的發(fā)生，讓用戶很難對云中心產(chǎn)生百分之百的信任，隱私數(shù)據(jù)不愿意交給“云”中心保管。因此，數(shù)據(jù)的安全問題是云存儲推廣的重大障礙之一[6]。

1.2.3 云存儲的中心化運(yùn)作

目前各大云存儲機(jī)構(gòu)都是由各大公司或機(jī)構(gòu)管理和運(yùn)營，雖然便于維護(hù)，但用戶數(shù)據(jù)的可靠性和安全性完全依賴該公司的實力和信譽(yù)。如何保證用戶數(shù)據(jù)不被公司有失職業(yè)道德的內(nèi)部員工偷窺，公司能否長久運(yùn)行和生存下去，云存儲運(yùn)營商難以保證，用戶質(zhì)疑。國內(nèi)著名的軟件公司金山軟件和奇虎360科技有限公司先后推出過“金山快盤”和“360個人云盤”業(yè)務(wù)，但都由于各類問題而先后關(guān)閉了。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲到某個中心的時候，其實也就等于將這些數(shù)據(jù)的“命運(yùn)”和該中心的命運(yùn)綁在了一起。

2 區(qū)塊鏈的出現(xiàn)

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于2008年化名為“中本聰”（Satoshinakamoto）的學(xué)者在密碼學(xué)郵件組發(fā)表的奠基性論文《比特幣：一種點對點電子現(xiàn)金系統(tǒng)》[7]。本質(zhì)上區(qū)塊鏈就是一個分布式的賬本技術(shù)，一個區(qū)塊就相當(dāng)于賬本中的一頁，需要記錄的交易等信息就是這一頁上的內(nèi)容。如用數(shù)學(xué)函數(shù)類比，分布式網(wǎng)絡(luò)、去中心化、加密算法、智能合約、價值和資產(chǎn)、權(quán)限許可等要素組成了整個分布式賬本的各個技術(shù)函數(shù)[8]。區(qū)塊鏈技術(shù)有以下幾個特點。

2.1 分布式運(yùn)行

整個系統(tǒng)的節(jié)點之間的權(quán)利和義務(wù)都是平等的，任何一個節(jié)點遭到破壞和失效也不會影響到整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的動作。

2.2 去中心化

為了能不依賴于任何中心點而運(yùn)行，區(qū)塊鏈技術(shù)引入了“競爭記賬模式”，“競爭記賬模式”是區(qū)塊鏈技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。

所謂競爭記賬是指每個節(jié)點依據(jù)自己算力大小來進(jìn)行競爭記賬的一種方式。通過一次算力競賽，獲勝者可以得到一次記賬的權(quán)力，也就是這個節(jié)點具有寫入一個新區(qū)塊的能力，并向其它節(jié)點廣播其新增的賬本信息，獲勝節(jié)點同時也將獲得區(qū)塊獎勵，這樣就保證了整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

2.3 數(shù)據(jù)的不可篡改

通過向全網(wǎng)廣播區(qū)塊的方式，讓每一個參與區(qū)塊鏈運(yùn)行的節(jié)點都可以復(fù)制一份完整的數(shù)據(jù)拷貝。除非有人能夠同時控制住整個區(qū)塊鏈中的51%以上的節(jié)點，否則單個節(jié)點的數(shù)據(jù)篡改系統(tǒng)不會承認(rèn)，這就確保了數(shù)據(jù)的不可篡改。

3 使用區(qū)塊鏈技術(shù)的文件系統(tǒng)

目前使用區(qū)塊鏈技術(shù)的存儲系統(tǒng)主要是指采用點對點的分布式文件系統(tǒng)，在激勵層中采用了相關(guān)區(qū)塊鏈技術(shù)，并能為用戶提供類似云盤的存儲系統(tǒng)，但它是基于去中心化的，通過分塊技術(shù)和密碼學(xué)等技術(shù)保證了數(shù)據(jù)的安全性和防篡改性。

目前已正式使用或正在開發(fā)的使用區(qū)塊鏈技術(shù)的存儲系統(tǒng)主要包括Storj、Sia、IPFS和Maidsafe等。IPFS（Inter Planetary File System）[9]即星際文件系統(tǒng)，其技術(shù)特點如下：

3.1 分布式的存儲

IPFS存儲系統(tǒng)的各節(jié)點組成的方式本質(zhì)上就是一個P2P網(wǎng)絡(luò)，各個節(jié)點間的等級也是一樣的，彼此負(fù)責(zé)存儲內(nèi)容和檢索內(nèi)容。當(dāng)一個文件需要被存儲到網(wǎng)絡(luò)上時，會被分割成不同的塊（Block），這類似NTFS文件系統(tǒng)中的扇區(qū)概念。系統(tǒng)把每個塊分割為相同大小，并對這些塊進(jìn)行哈希計算后形成一個哈希數(shù)組對象以方便索引查找。最后將這些塊文件和索引結(jié)構(gòu)以分布式的形式全部上傳至網(wǎng)絡(luò)，這些塊文件將存放在全世界不同的地方，這樣文件便同步到了區(qū)塊鏈存儲系統(tǒng)中了。

3.2 數(shù)據(jù)的防篡改性

區(qū)塊鏈的最大特點就是防篡改，當(dāng)用戶新建或修改文件后，此文件就會生成新的哈希值，系統(tǒng)再加時間戳及簽名后再發(fā)布至鏈路上，這個文件無論是誰也無法對它再做修改，因為一旦有修改便是一個新的文件，這對于一些保密數(shù)據(jù)的存儲尤為重要。

3.3 數(shù)據(jù)的安全性

計算機(jī)的發(fā)展過程中，開放和安全一直是一個悖論，黑客的出現(xiàn)以及系統(tǒng)性的漏洞也一直威脅著數(shù)據(jù)的安全性，導(dǎo)致一些重要機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)不能接入到互聯(lián)網(wǎng)中。區(qū)塊鏈中的一項基本技術(shù)便是不對稱加密，各個區(qū)塊鏈?zhǔn)褂玫募用芩惴ㄒ矔兴鶇^(qū)別，目前已能達(dá)到抗量子計算機(jī)破譯的加密算法。

IPFS存儲將文件分成N個字節(jié)，然后將這些碎片存儲在世界的各個角落里，所以數(shù)據(jù)的安全性無論從邏輯還是物理存儲上都是非常安全的。

3.4 數(shù)據(jù)的匿名性

在數(shù)字世界里每一個物體都只是對應(yīng)了一個長長的字符串而已，個人隱私數(shù)據(jù)也是如此，如果這些數(shù)據(jù)存在一個中心網(wǎng)絡(luò)點上，管理者是完全有可能隨意瀏覽的，而在區(qū)塊鏈技術(shù)中如果需要解開這些文件則需要憑用戶自己的私鑰，這就確保了數(shù)據(jù)的私密性。

4 區(qū)塊鏈技術(shù)對于文件存儲系統(tǒng)的變革

目前各大科技巨頭、銀行、政府和機(jī)構(gòu)都對區(qū)塊鏈接技術(shù)非常重視，加速調(diào)配資源，積極研究和創(chuàng)新。據(jù)麥肯錫的一份研究報告指出：區(qū)塊鏈技術(shù)，是繼蒸汽機(jī)、電力、信息和互聯(lián)網(wǎng)科技之后，目前最具潛力觸發(fā)第五輪顛覆性革命浪潮的核心技術(shù)[10]。

區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)有的各行業(yè)、各領(lǐng)域?qū)眍嵏残缘陌l(fā)展。采用了區(qū)塊鏈技術(shù)的IPFS等文件系統(tǒng)對于計算機(jī)存儲系統(tǒng)帶來的變革主要有以下幾點。

4.1 實現(xiàn)共享經(jīng)濟(jì)模式

使用云存儲時數(shù)據(jù)都存放在云中心的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，那么去中心化后的數(shù)據(jù)存放在哪里呢？全世界接入互聯(lián)網(wǎng)的電腦已不計其數(shù)，但大部分用戶（或機(jī)構(gòu)）的電腦硬盤存儲空間是有多余的，平時是閑置的，通過采用區(qū)塊鏈技術(shù)的文件系統(tǒng)，硬盤空間多余的用戶可以出租自己的硬盤，系統(tǒng)會通過“復(fù)制證明（Proof-of-Replication）”[11]來計算該用戶的工作量，按其工作量大小進(jìn)行區(qū)塊獎勵。整個過程類似于比特幣的“挖礦”，只是競爭的算力是通過用戶的硬盤可用空間等因素組成。用戶為了獲得更多的獎勵，也會出租更多的硬盤空間。這種將整個計算機(jī)世界中無數(shù)的閑散硬盤空間有機(jī)有組織并使用起來，正是共享經(jīng)濟(jì)的本質(zhì)。

4.2 基于內(nèi)容的尋址

HTTP是目前使用最廣泛的互聯(lián)網(wǎng)文本傳輸協(xié)議。但其工作方式是基于域名尋址，通過域名解析將其轉(zhuǎn)換為IP地址，再按IP地址找到這臺主機(jī)，最后通過相關(guān)路徑找到其文件。見圖1，使用http時它不關(guān)心文件是否存在，只是按照路徑去打開文件而已。

IPFS文件系統(tǒng)中它將每一個文件都轉(zhuǎn)換成了一個哈希值，需要打開某個文件時只需要通過類似“ipfs：//文件哈希埴”的方式，而不用去關(guān)心文件存放位置，IPFS系統(tǒng)會根據(jù)自己內(nèi)部的路由表搜索到該文件的所有塊并重新組裝后傳給用戶。

4.3 適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代下的傳輸要求

大數(shù)據(jù)時代下的數(shù)據(jù)量將是非常巨大的，原有的HTTP模式下的數(shù)據(jù)分發(fā)速度將不適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代的要求。IPFS文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)速度可達(dá)PB字節(jié)數(shù)量級的；分布在不同組織不同地域的計算機(jī)協(xié)同參與大數(shù)據(jù)的計算，可極大地的提高數(shù)據(jù)運(yùn)算能力；可實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)集的不同版本的控制；高容量的媒體數(shù)據(jù)流及防止重要文件意外損壞等，IPFS文件系統(tǒng)這些卓越性能可較好滿足大數(shù)據(jù)時代的要求。

5 結(jié)束語

區(qū)塊鏈技術(shù)因其去中心化，解決了信用和隱私保護(hù)的問題，分布式存儲也使數(shù)據(jù)更加安全可靠。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷成熟完善，各個行業(yè)與區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合后將會不斷產(chǎn)生新的創(chuàng)新點，迸發(fā)出強(qiáng)勁活力?；趨^(qū)塊鏈的文件存儲是最基本的應(yīng)用之一。雖然目前云中心的發(fā)展已經(jīng)解決了文件存儲的大部分的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，但隨著人們對隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)安全等意識的提高，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的文件系將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] Cctime [EB/OL]，http：//www.cctime.com，2018.

[2] Baidu [EB/OL]，http：//baike.baidu.com，2018.

[3] 趙國鋒，陳婧.5G移動通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].重慶郵電大

學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015.27（4）：441-452

[4] 李邐.淺析云計算背景下云存儲的優(yōu)勢與劣勢[J].計算機(jī)光

盤軟件與應(yīng)用，2013.23：18-19

[5] Sohu[EB/OL].[2018-09-03]，http：//www.sohu.com.

[6] 傅穎勛，羅圣美，安全云存儲系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].計算機(jī)

研究與發(fā)展，2013.50（1）：136-145

[7] Bitcon[EB/OL] Nakamoto S. Bitcoin： a peer-to-peer

electronic cash system [Online]，available： https：//bitcon.org/bitcon.pdf，2009.

[8] 唐文劍，呂雯.區(qū)塊鏈將如何重新定義世界[M].機(jī)械工業(yè)出版

社，2017.

[9] IPFS [EB/OL].https：//ipfs.io/，2018.

[10] 何薄，于戈等.區(qū)塊鏈技術(shù)與應(yīng)用前瞻綜述[J].計算機(jī)科學(xué)，

2017.44（4）：1-7

[11] IPFSER[EB/OL].http：//ipfser.org，2018.