SoK：去中心化存储网络
作者：山东大学成秀珍教授团队
Author：Chuanlei Li, Minghui Xu, Jiahao Zhang, Hechuan Guo, Xiuzhen Cheng
论文摘要原文：—Decentralized Storage Networks (DSNs) represent a paradigm shift in data storage methodology, distributing and housing data across multiple network nodes rather than relying on a centralized server or data center architecture. The fundamental objective of DSNs is to enhance security, reinforce reliability, and mitigate censorship risks by eliminating a single point of failure. Leveraging blockchain technology for functions such as access control, ownership validation, and transaction facilitation, DSN initiatives aim to provide users with a robust and secure alternative to traditional centralized storage solutions. This paper conducts a comprehensive analysis of the developmental trajectory of DSNs, focusing on key components such as Proof of Storage protocols, consensus algorithms, and incentive mechanisms. Additionally, the study explores recent optimization tactics, encountered challenges, and potential avenues for future research, thereby offering insights into the ongoing evolution and advancement within the DSN domain.
论文摘要中文：分散式存储网络(dsn)代表了数据存储方法的范式转变，跨多个网络节点分布和存储数据，而不是依赖于集中式服务器或数据中心架构。dsn的基本目标是通过消除单点故障来增强安全性、增强可靠性和减轻审查风险。DSN计划利用区块链技术实现访问控制、所有权验证和交易便利等功能，旨在为用户提供传统集中式存储解决方案的强大而安全的替代方案。本文对dsn的发展轨迹进行了全面分析，重点分析了存储证明协议、共识算法和激励机制等关键组件。此外，本研究还探讨了最近的优化策略、遇到的挑战以及未来研究的潜在途径，从而为深空网络领域的持续发展和进步提供了见解。
研究问题、关键问题：本文主要研究了去中心化存储网络 (DSN) 的发展历程、关键技术、优缺点和未来发展方向。其中，关键问题主要集中在以下几个方面：
1. PoS 协议的效率和安全性：
（1）如何提高 PoS 协议的效率，降低计算成本？
（2）如何保证 PoS 协议的安全性，防止恶意矿工攻击？
2. DSN 的可扩展性**：
（1）如何提高 DSN 的可扩展性，满足大规模应用的需求？
（2）如何解决跨链互操作性问题，实现不同 DSN 之间的数据交换？
3. DSN 的安全性**：
（1）如何防御针对 DSN 的攻击，例如 Sybil 攻击、DoS 攻击等？
（2）如何保护用户隐私，防止数据泄露？
4. DSN 的应用场景：
（1）DSN 可以应用于哪些领域？
（2）如何将 DSN 与其他技术相结合，开发新的应用场景？
5. DSN 的未来发展方向：
（1）DSN 未来的发展趋势是什么？
（2）如何解决 DSN 当前面临的挑战，推动其发展？
通过研究和解决这些问题，可以推动 DSN 的进一步发展，使其成为更加安全、可靠、开放和高效的分布式存储网络。
研究动机、研究意义：
研究动机：
1.云存储的局限性： 传统云存储存在集中式架构风险、数据主权缺失和资源利用率低等问题，难以满足 Web 3.0 时代对数据存储的需求。
2.去中心化技术的兴起： 区块链、点对点存储和 IPFS 等技术的发展为构建 DSN 提供了技术基础。
3.Web 3.0 的兴起： Web 3.0 时代需要开放、共享的数据存储平台，DSN 应运而生。
研究意义：
1.推动 DSN 的发展： 通过研究 DSN 的关键技术、优缺点和未来发展方向，可以推动 DSN 的进一步发展，使其成为更加安全、可靠、开放和高效的分布式存储网络。
2.促进 Web 3.0 的发展： DSN 作为 Web 3.0 时代的重要基础设施，可以促进 Web 3.0 的发展，推动数据主权回归和开放共享平台的建设。
3.推动区块链技术的研究： DSN 的研究可以推动区块链技术在数据存储领域的应用，促进区块链技术的进一步发展。
研究内容（算法、方法、技术、模型）：研究内容主要围绕 DSN 的关键技术展开，包括：
1. DSN 模型：
（1）提出了一个抽象的 DSN 模型，包括客户端、存储矿工、检索矿工和区块链等组件。
（2）分析了 DSN 的三个主要功能：Put、Manage 和 Get。
（3）比较了 DSN 和云存储的区别，以及 DSN 和区块链的区别。
2. PoS 协议：
（1）提出了一个通用的 PoS 协议模型，包括 Setup、Store、Prove 和 Verify 四个函数。
（2）分析了 PoS 协议的类型，包括过渡存储证明和持续存储证明。
（3）介绍了常见的 PoS 协议，例如 PDP/PoR、PoRep、PoSt 等。
3. 共识算法：
（1）分析了区块链中的共识算法，包括 PoW、PoS 和 EC 等。
（2）讨论了不同共识算法的优缺点和适用场景。
4. 激励机制：
（1）分析了 DSN 中的激励机制，包括货币激励、声誉激励和带宽激励等。
（2）讨论了不同激励机制的设计和实现方式。
5. 优化和增强方法：
（1）分析了 DSN 中的冗余机制，例如 erasure code，用于降低数据冗余和提高数据可靠性。
（2）介绍了 DSN 中常见的攻击方式，例如 Sybil 攻击、DoS 攻击等，以及相应的防御方法。
（3）讨论了如何提高 DSN 的数据隐私保护能力。
6. 应用场景：
（1）介绍了 DSN 在 NFT 和 Web 3.0、元宇宙、视频流媒体、医疗保健和电子商务等领域的应用。
7. 挑战和未来发展方向：
（1）讨论了 DSN 面临的挑战，例如可扩展性、安全性和隐私保护等。
（2）展望了 DSN 的未来发展方向，例如 PoS 协议的优化、跨链互操作性、DSN 作为 CDN 和 CFN 等。
研究结论、主要贡献：本文深入探讨了去中心化存储网络 (DSN) 的发展历程，重点关注其关键组成部分，包括存储证明协议、共识算法和激励机制。
主要贡献如下：
1.DSN 发展路径的深入分析： 详细考察了 DSN 的发展历程，并重点分析了存储证明协议、共识算法和激励机制等关键元素。
2.DSN 抽象模型和通用存储证明方案： 提出了一个 DSN 抽象模型和一个通用存储证明方案，并阐明了不同存储证明方案之间的区别，将其分类为临时存储证明和持续存储证明。
3.优化策略、挑战和未来研究方向： 探讨了 DSN 的性能和安全性方面的优化策略，分析了 DSN 面临的挑战，并展望了未来的研究方向。
研究结论：
1.DSN 作为一种新兴的存储技术，在确保数据安全性和去中心化方面具有巨大潜力。 它克服了传统云存储的局限性，为用户提供了一种更安全、更可靠的存储解决方案。
2.DSN 仍处于发展阶段，面临着可扩展性和安全性等方面的挑战**。 未来需要进一步研究优化存储证明协议、提高共识算法效率、加强数据隐私保护等方面的技术。
创新点、创新性：本文在去中心化存储网络 (DSN) 领域做出了以下创新点，体现了其创新性：
1.通用存储证明方案： 本文提出了一个通用的存储证明方案，并基于时间维度将存储证明方案分类为临时存储证明和持续存储证明，清晰地展现了不同存储证明方案的演变关系和发展趋势。
2.DSN 抽象模型： 本文构建了一个 DSN 抽象模型，并阐述了其三大核心功能（Put、Manage 和 Get），以及它们之间的关系，为理解和分析 DSN 的工作原理提供了清晰的框架。
3.优化策略和未来研究方向： 本文深入分析了 DSN 在性能和安全性方面面临的挑战，并提出了相应的优化策略和未来研究方向，为 DSN 的进一步发展指明了方向。
创新性体现在以下几个方面：
1.系统性： 本文对 DSN 进行了系统性的分析，涵盖了 DSN 的各个方面，包括存储证明协议、共识算法、激励机制、优化策略和未来研究方向，为全面理解 DSN 提供了有价值的见解。
2.深入性： 本文对 DSN 的关键元素进行了深入的分析，例如对存储证明协议的演变过程进行了详细的阐述，并对不同类型的存储证明方案进行了比较，展现了 DSN 技术的演进过程和发展趋势。
3.实用性： 本文提出的优化策略和未来研究方向具有实用性，可以为 DSN 的进一步研究和应用提供有价值的指导。
技术难点：DSN 面临的主要技术难点：
- 可扩展性挑战：
（1）证明系统效率: DSN 中的 PoS 方案虽然保证了数据安全，但复杂的加密设计和频繁的证明生成导致计算开销巨大，限制了节点参与。
（2）跨链互操作性: 现有的 DSN 之间缺乏有效的互操作性，难以实现跨网络的数据传输和共享。
（3）DSN 作为 CDN: 虽然 DSN 具备成为 CDN 的潜力，但还需要实现负载均衡、审计和内容传输优化等功能。
（4）DSN 用于 CFN: DSN 可以用于 CFN，但需要进一步探索如何有效聚合和利用存储资源和计算能力。
（5）多版本控制: 现有的 DSN 缺乏多版本控制功能，导致数据冗余和资源浪费。 - 安全和隐私挑战：
（1）攻击: DSN 面临着多种攻击，例如 Sybil 攻击、DoS 攻击、n-split 攻击和临时区块持有攻击，需要更加完善的防御机制。
（2）隐私问题: DSN 中的 DHT 公开性可能导致用户信息泄露，需要采取措施保护用户隐私。
（3）非法内容监控: DSN 作为开放平台，可能被用于存储非法内容，需要建立有效的监控机制。
（4）细粒度访问控制: 现有的 DSN 访问控制机制过于简单，无法满足用户对数据访问权限的精细化管理需求。
进一步研究思路 (Future Work)：
根据您提供的文档，本文作者提出了以下几个可能的未来研究方向：
1. PoS 方案的研究：
（1）改进 PoS 证明的生成和验证算法，提高效率和安全性。
（2）研究新的 PoS 方案，例如基于量子计算的 PoS 方案，以提高 DSN 的安全性。
（3）研究如何将 PoS 方案与其他技术相结合，例如边缘计算、人工智能等，以提高 DSN 的性能和应用场景。
2. 共识算法的研究：
（1）研究新的共识算法，例如基于博弈论的共识算法，以提高 DSN 的安全性和公平性。
（2）研究如何将共识算法与其他技术相结合，例如人工智能、区块链分片等，以提高 DSN 的性能和应用场景。
3. 激励机制的研究**：
（1）研究新的激励机制，例如基于声誉的激励机制、基于代币经济的激励机制等，以提高 DSN 的公平性和有效性。
（2）研究如何将激励机制与其他技术相结合，例如人工智能、博弈论等，以提高 DSN 的性能和应用场景。
4. 安全性和隐私保护的研究：
（1）研究新的安全机制，例如基于零知识证明的安全机制、基于多方计算的安全机制等，以提高 DSN 的安全性。
（2）研究新的隐私保护机制，例如基于同态加密的隐私保护机制、基于差分隐私的隐私保护机制等，以提高 DSN 的隐私性。
（3）研究如何将安全性和隐私保护机制与其他技术相结合，例如人工智能、区块链分片等，以提高 DSN 的性能和应用场景。
5. 可扩展性的研究：
（1）研究如何提高 DSN 的可扩展性，例如通过区块链分片、数据压缩等技术，以支持更多节点和更多数据。
（2）研究如何将 DSN 应用于新的应用场景，例如物联网、边缘计算等，以拓展 DSN 的应用范围。
6. DSN 的应用研究：
（1）研究如何将 DSN 应用于更多的应用场景，例如医疗、教育、金融等，以推动 DSN 的发展和应用。
（2）研究 DSN 的应用模式和发展趋势，以更好地指导 DSN 的发展和应用。