?Web3系列研究 | 中國信通院程彤彤：Swarm——去中心化應用的堅實后盾
一、目標愿景
區塊鏈演進受限于存儲模式的發展。現階段，區塊鏈鏈上存儲空間資源稀少，存儲成本極高，同時，區塊鏈作為新一代互聯網必不可缺的核心技術與新型基礎設施，設計一個去中心化的分布式存儲系統來實現穩定持久的數據存儲和交換是十分迫切的。
中心化存儲難以滿足大規模存儲數據的需求。一是隨著用戶數量以及數據體量的急劇膨脹，急需一個功能強大、運行安全和分散快速的內容存儲和分發系統為分布式應用程序提供服務。二是面對飛速發展的互聯網，整個生態應用不斷革新，數據不斷增加，導致中心化存儲遭受巨大的存儲和帶寬壓力。三是龐大的中心化存儲受成本和地理位置的影響，制約了數據的快速流通，讓數據隱私性與安全性受到威脅。
Swarm為區塊鏈應用數據提供去中心化存儲服務。Swarm作為以太坊生態原始成員之一，為以太坊生態提供去中心化的內容存儲與分發網絡。Swarm會將存儲的文件數據分解為多個數據塊，由參與的存儲節點進行數據儲存。存儲服務的提供者會從服務的使用節點獲得收益。
二、解決方案
Swarm 激勵系統圍繞 Swap （交換）、Swear （保證）、和 Swindle （欺詐）三個重要合約組件建立而成，其運行機制如下 :
1、Swarm合約組件
圖1 Swarm核心合約機制
Swarm 通過三個基本合約提供用戶自由交換數據的環境。Swap通過交換合約記錄帶寬的使用情況，通過激勵手段獎勵服務提供者，加速高熱度內容的快速傳播與獲取。Swear利用合約處理數據的長期存儲，節點既可以在Swarm上進行存儲數據，也可以為其他節點提供存儲空間。Swindle基于欺詐合約解決存儲過程中的惡意行為，對破壞存儲環境的節點進行處罰。通過三個關鍵的智能合約，Swarm 提供了一種職責明確的分發和存儲方案。
2、Swarm核心架構
Swarm為去中心化互聯網提供可擴展的存儲基礎設施。通過存儲基礎設施的構建，以達到一個自主權的全球社會和無需授權的開放市場。Swarm利用點對點存儲和通信來擴展當前的區塊鏈存儲容量，以此實現一個能夠為去中心化應用提供操作系統和部署環境的世界電腦。圖2展示了Swarm的核心應用層。
圖2 Swarm核心架構層
（1）分布式不可變存儲塊
DISC（Distributed Immutable Storage of Chunks）是Swarm的底層存儲模型。存儲使用節點與存儲服務提供節點通過DISC組建了龐大的Swarm網絡，任何擁有多余存儲空間及帶寬的節點都可以參與Swarm網絡建設，并由此獲得獎勵。DISC的強隱私保護、強防御措施、自動擴展、完整性保護、自適應遺忘的特性由下列幾項技術實現。
DISC建立和維護所有節點之間數據交互的通信網絡。DISC通過使用P2P網絡協議實現節點之間信息交互。Swarm節點通過Kademlia（一種P2P覆蓋網絡傳輸協議）協議連接到其他節點集時，節點對該目標節點集地址做出是否搭建的判定，最終找出數據傳輸的全局最優路徑。
小體積存儲塊構建Swarm基本存儲單元。存儲塊最多由4Kb的數據組成，并且附有相應地址。Swarm存儲方案要求每個塊都由多個節點冗余存儲，從而保證數據的安全性。為了實現數據的保密性，存儲塊可以在填充到4千字節后進行加密，通過非明文手段保護傳輸數據的安全。
記賬協議確保Swarm節點協作路由，節約網絡帶寬資源。當節點轉發請求和響應時，數據傳輸會占用主網的傳輸帶寬。當帶寬需求達到閾值時，服務需求者既可以選擇等待，也可以通過激勵手段獲得優先傳輸的機會，既可以保障低數據量的節點低價或免費使用Swarm進行下載或上傳，也可以為高數據量的節點提供更迅捷的付費存儲體驗。
自適應清理Swarm系統的無效數據存儲塊。每個Swarm節點通過“儲備”和“緩存”兩個系統實現存儲塊的自適應清理。“儲備”是固定大小的存儲空間，專門用于存儲屬于節點鄰域的塊。“緩存”的作用是保留不受“儲備”保護的塊。當容量達到限度，緩存就會被定期清理，長時間未被請求的塊將被刪除。通過“儲備”和“緩存”最大限度地提高DISC的存儲效率。
（2）Swarm應用接口
Swarm通過接口滿足應用層的多種需求，實現自身API與現有web功能API的鏡像，其新功能和數據結構都可以通過映射與現有web功能實現對應。
Swarm使用文件清單表示文件集合。清單對字符串及其引用內容的映射進行編碼，以便對目錄樹、鍵值對存儲或路由表進行建模，使Swarm能夠實現文件系統、數據庫，甚至是網站和分布式應用所需要的虛擬主機等功能。
Swarm具有追蹤更新訂閱接口。當web應用或網站通過更新而獲取新的Swarm引用地址時，ENS中注冊的引用地址就會相應地更新。這樣用戶就可以不用頻繁地與區塊鏈交互，實現訂閱的內容更新，避免每次更新需要的交易花費。
Swarm提供點對點消息通信接口。Swarm利用數據接收者地址信息對待傳輸數據進行加密，一起封裝成一個基于內容尋址的數據塊。由于數據塊的地址本身落在接收節點集的范圍，依據傳輸協議，數據塊會被Swarm系統點對點傳遞。
Swarm提供數據持久化保存和恢復接口。Swarm通過固定大小的數據塊，保證任何節點可以讓特定內容在本地持續存儲，被固定的本地存儲內容通過傳輸接口，可以主動或被動的參與到數據恢復中，從而使存儲所有者產生收益，激勵節點用戶持續維持數據的保存與恢復。
三、項目歷程
- 2015年，以太坊創始人Vitalik Buterin提出Swarm項目理念和設計藍圖。
- 2020年，Swarm基本完成現行主網基本網絡框架搭建。
- 2020年6月，發布Swarm Alpha版本。
- 2020年11月，發布Swarm Live版本，此版本增強了穩定性，改善了Swarm1.0的所有高級功能。
- 2021年5月，區塊瀏覽器測上線。
四、思考評論
受到以太坊需求的影響，Swarm能更有效支撐DAPP的應用發展。Swarm能夠在不干擾區塊鏈信息的情況下，協助DApp存儲和分發代碼、數據及內容。Swarm網絡會把數據分成小塊，分散存儲在整個網絡中，使得節點運營商無法知道節點上存儲了哪些內容，用戶擁有數據所有權和管理權。
Swarm通過獎懲手段實現對參與數據存儲節點的監督。區塊鏈只負責監控礦工工作量的完成情況并予以獎懲，但是無法彌補因惡意存儲節點破壞，造成的數據與經濟損失。Swarm利用智能合約實現監督機制，通過智能合約來處理節點的押金支付，并且保留強制性措施作為對惡意行為的威懾，使存儲雙方對特定內容單獨負責，有效提高數據存儲的安全性。
Swarm的初始定位使其嚴重依賴以太坊網絡。Swarm的定位是以太坊生態系統的三大支柱之一，它的發展受到以太坊系統的支持與影響，其出現的驅動力也是為了滿足以太坊生態系統的正常運行。因此，Swarm可以借助以太坊龐大的生態圈快速發展，但同時，其發展路徑也會受以太坊的制約。
