本篇研报将从分布式存储的发展沿革、技术的第一性角度出发阐述IPFS的技术与应用，并延展至建立在IPFS上的Filecoin激励逻辑，展现围绕IPFS展开的生态图景。
外汇天眼APP讯 : 经过七年时间发展，IPFS存储网络目前已成长为全球性的分布式存储选择，而Filecoin区块链主网也在数次推迟之后暂定于2020年7-8月正式上线，千呼万唤使出来的FIL代币也将正式上线。
自2018年开始，中国区块链与数字资产行业始终对IPFS技术与生态进展保持高度关注，并发展出了围绕IPFS与File coin的繁荣生态。本篇研报将从分布式存储的发展沿革、技术的第一性角度出发阐述IPFS的技术与应用，并延展至建立在IPFS上的Filecoin激励逻辑，展现围绕IPFS展开的生态图景。
一．分布式存储的昨天与今天
所谓分布式存储，就是将大量的普通服务器，通过互联网对外作为一个整体提供存储服务。这种存储方式通常具有可扩展性、可靠性、高性能、易维护等特性。
在互联网发展的初期，人们使用电子邮件等应用是基于中心化服务器与一系列传输协议构建的。每一次对话产生的记录、信息都被中心化的存储在单点服务器中。
如果某天发生单点故障，那么服务器数据无法被访问，应用将无法运行。随着计算机系统和各类应用软件的蓬勃发展，中心化的存储方式逐渐发生变革，P2P的传输方式逐渐萌芽。
1. “前区块链时代”的分布式存储
2000年一位来自美国的大学生Shawn Fanning开发了一款名叫Napster的软件，在该程序中可以下载自己想要的MP3文件，同时也可以上传自己的MP3文件，供他人下载。
随之而来的，是这个软件带来的P2P文件传输技术的雏形，受此启发，电驴/eMule乃至之后大名鼎鼎的BT（BitTorrent）协议横空出世。
自此，中心化的存储方式发生巨大变革，不再依靠中心化服务器，点对点的文件存储传输应用风靡一时。
以BT为例，其作为内容分发协议拥有诸多优势——与中心化服务器不同，BT协议下对同一内容下载的人数越多，下载的速度越快，使用这种方法可以使下载服务器同时处理多个大体积文件的下载请求，而无须占用大量带宽。
磁力链接亦在此基础上发展，其不基于文档的IP地址或定位符，而是在分布式数据库中，通过散列函数值来识别、搜索来下载文档，即每种文件内容均有唯一哈希值作为ID，使用分布式哈希表技术实现全网络的寻址与存储。因为不依赖一个处于启动状态的主机来下载文档，所以特别适用没有中心服务器的对等网络。
2.基于区块链技术的分布式存储解决方案
区块链本身便是综合了分布式存储、非对称加密并基于共识算法的技术，基于区块链技术的分布式存储解决方案和BT协议技术上相同点为，均对要存储的文件进行了分片，并把片段存在各个节点上。在这一方案中，因区块链技术对于数据加密和隐私的保护、去中心化带来的不可篡改等特性，完美的胜过了中心化服务器。
在这类解决方案中，通常都设计有激励层的代币奖励——即当节点将自己的存储资源贡献给网络时，可以获得该网络对应的生态代币。目前应用区块链技术做存储的项目有IPFS、Storj、Sia等。
二．IPFS技术应用与原理：HTTP传输协议、Git版本控制协议与BitTorrent传输协议的精妙组合
1.从第一性原理出发看IPFS的本质
IPFS本质上一种文件共享和传输协议，例如HTTP超文本传输协议，它是现代互联网上最成功，最主要的传输协议之一。但是，与遵循客户端-服务器模型的HTTP不同，IPFS是一个既可以服务又可以请求数据的分布式节点网络。
在客户端-服务器模型中，“客户端”（通常是Web浏览器）发送“服务器”（通常是文件托管服务器），对Web元素（图像，网页，文档等）的请求，并返回他们将收到其请求的网络元素的响应，该响应将在屏幕上显示。客户端和服务器之间有许多“代理”（计算机和机器），可帮助中继双方的HTTP消息。
此模型以及HTTP的缺点如下：
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低效的结构：HTTP的结构仅允许客户端和服务器一次请求和服务单个Web元素。这就是为什么某些具有多个Web元素的网页需要比其他网页更长的加载时间的原因。尽管HTTP可以有效地移动较小的文件，但在用户每天都会产生大量数据孤岛的世界中，HTTP变得越来越低效且昂贵。
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集中式网络：因为Web元素和数据是从单个主机服务器请求的，所以它使这些中央服务器容易受到DDOS攻击和数据攻击。这些集中化的网络使自己可以接受政府或机构的审查。2017年，西班牙政府响应加泰罗尼亚独立公投，审查了与公投有关的多个网站和应用程序。
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相应地，IPFS的模型创造性提供了新的模型来避免上述问题：
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高效的结构：在IPFS上，每个节点都可以向节点对等方提供内容或从节点对等方请求内容。网络上的节点越多，数据传输就越有效。IPFS上的客户端不是一次请求一个Web元素来完成一个网页，而是从多个节点请求多个Web元素。作为一个高度简化的示例，使用客户端-服务器模型的具有四个Web元素的网页将需要四个客户端请求，并且服务器响应会依次执行以完全交付该页面。使用IPFS，将一次向四个服务器发出四个客户端请求以交付页面。
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分布式网络：IPFS上的节点被分配并拥有相等的功率，而不是单个服务器场来存储和传递数据。如果一个节点受到攻击或关闭，仍然可以从网络上的其他节点检索数据。分布式网络降低了审查的攻击面。为了回应西班牙政府的审查行为，加泰罗尼亚政府使用IPFS上传了以前被禁止的网站，并向公众开放。
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可以看出，通过以上两点主要区别，IPFS相比HTTP协议，实现了信息永久存储且不可篡改和删除以及资源共享。IPFS通过内容寻址，不存储重复文件，节省存储空间的同时，分布式特性和加密存储让整个网络相比百度云等存储方案相比可以避免单点故障并提供更好的隐私安全性。从长远来看，IPFS协议的和新特性相较HTTP有显著的优势，IPFS与HTTP协议取长补短、逐步融合的趋势将不可避免。
2. IPFS的设计灵感
为了实现以上特性，IPFS的技术设计路线综合了多种已有的分布式系统和存储技术，并在此基础上进行创新，可以算是区块链技术在分布式存储领域的集大成者。
IPFS网络从以前的分布式对等系统中获取了属性，包括分布式哈希表，BitTorrent，Git和SFS。根据其白皮书，这创建了“单个内聚系统，大于其各个部分的总和”。
分布式哈希表：分布式哈希表DHT是一种分布式系统，用于存储和检索与对等节点网络上的键关联的“值”也就是数据。每个值对应一个不同的键，该键提供访问该值所需的权限。在DHT上，所有信息均匀地分布在节点之间，并且每个节点都有相等的机会被选择来存储值和密钥对。
IPFS利用Kademila DHT，Coral DSHT，S / Kademila的DHT实施来提高查找效率并减少Sybil攻击等攻击媒介。
BitTorrent：BitTorrent是成功的对等文件共享协议。在2018年，该协议负责了全球互联网流量的4.16％。IPFS利用BitTorrent的数据交换协议来奖励资源贡献节点并惩罚资源泄漏节点。
Git（版本控制系统）：版本控制系统记录一段时间内对文件的更改，以便用户可以随时访问特定版本。Git已实施了一个分布式版本控制系统，该系统使一组分布式贡献者能够跟踪多方对文件的更改。IPFS已在其协议上实现了此控制系统。在IPFS上，网络上存储的数据被分为多个片段，这些片段由网络上的节点保存。通过实施版本控制，IPFS确保正确组织这些片段，并正确更新文件更改。
SFS（自认证文件系统）：SFS是分布式文件命名系统。IPFS在其星际名称系统（IPNS）中使用它。使用IPNS，用户可以生成链接到IPFS内容的可验证地址。
3. IPFS的协议栈
IPFS协议包括如下七个子协议：
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身份：IPFS节点收到一个NodeId，这是其公钥的加密哈希。NodeId可帮助识别IPFS网络中的节点。当节点连接时，它们交换公共密钥，并检查加密哈希与公共密钥是否匹配。如果它们匹配，则建立连接；如果不是，则节点断开连接。
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网络：IPFS帮助管理其网络上对等节点的连接，并提供传输，可靠性，连接性，完整性和真实性功能。IPFS还被设计为在其他协议之上工作，从而使其注释能够使用其multiaddr功能创建自定义地址。
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路由：IPFS使用基于S / Kademlia和Coral的DSHT在节点对等之间路由信息。小数据值（等于或小于1KB）直接存储在IPFS DHT上。较大的值存储对可能可以为数据提供服务的节点的引用。
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交换：IPFS使用受BitTorrent启发的交换功能BitSwap在节点之间交换数据。BitSwap本质上是一个数据市场，节点将向其他节点提供数据块，以换取其所需的数据块。如果节点没有对等节点需要的数据，它将努力查找该数据。
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对象：IPFS对象包含数据和指向其他对象的链接。由于数据被碎片化并分布到整个网络中的多个节点，因此IPFS使用Merkle有向无环图来获取数据碎片，以有效地编译整个文件。
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文件：IPFS可以基于Merkle有向无环图对控制文件系统分层架构进行建模。
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命名：IPNS使用户可以创建指向其内容的可读链接。
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拥有扎实的技术堆栈与站在众多先前技术肩膀上的IPFS从2015年1月发布至今，已平稳运行四年多。目前在IPFS协议上运行的应用已有数百个，全球已有数百万个节点。在过去数年中与区块链时代启动的许多去中心化项目不同，IPFS证明了其实用性。据统计，在2019年，IPFS公共网络增长了30倍，谷歌浏览器、火狐浏览器、D.Tube、IPWB、以太坊、Origin 等加入了IPFS网络，如今，IPFS正在以2.5EB/天的速度，为全世界存储有效数据。
开发人员继续为开源协议做出贡献，用户继续将文件上传到IPFS，dApp开发人员继续利用其网络来存储数据。在短短四年多的时间里，IPFS已将自己确立为分散式Web的关键基础架构。目前已有多个成熟的应用基于IPFS落地，包括OpenBazaar商店、Brave浏览器、Peerpad协作编辑器等。
三．Filecoin：基于的激励机制及公链系统
如上文阐述，IPFS协议定义了文件在分布式系统中如何存储、检索和传输，能永久、去中心化保存和共享文件，这是一种内容可寻址、点对点分布式协议。尽管协议层面早已取得一系列进展，但激励机制的缺失让IPFS的进一步发展受阻。
而Protocol Labs在2017年推出的Filecoin（代币FIL）是一个在IPFS网络之上的激励应用层及区块链公链系统，Filecoin 主要依托于 IPFS 提供的分布式存储技术、以太坊智能合约实现的链上与链下交易市场、libp2p 实现的高效节点发现与数据传输等。
Filecoin通过存储、检索、区块奖励三种收益，来刺激节点的长期运行，更好的为整个网络生态服务。在FIL 总发行量为 20 亿枚，矿工奖励占 70%， Protocol Labs 获得 15%，公募及私募投资者占 10%，基金会则保留 5% 做生态发展。FIL 发行速度分为三个部分：矿工奖励六年内发行 50%；基金会及 Protocol Labs 六年内线性释放；投资者一年内分发完毕。
从FIL的代币分配来看，大部分的 FIL 供给量将会取决于矿工奖励。除了参与FIL公募的投资者可以考虑在FIL上线交易所后交易代币外，其他行业参与者主要通过参与Filecoin网络挖矿来参与项目。
1. Filecoin共识与挖矿机制
Filecoin采用混合共识机制：以预期共识EC为主，复 制证明PoRep及时空证明PoSt为辅。预期共识是Filecoin区块链的主要出块共识，是一种概率拜占庭容错共识机制。与一般的拜占庭容错容错共识不同的地方在于，每一轮领导人选举出来以后，平均来说有一名参与者可以提交一个区块。
预期共识具备公平性、不可预知性及可验证性。Filecoin对每个生成的区块赋予权重，权重最大的链成为主链。区块权重取决于两个因素：一是父母块 Parents Block的数量；二是链的存储能力。由于 Filecoin 有抵押机制，矿工会倾向挖父母块最多且乘载最高存储能力的链，实现有效收敛。
Filecoin采用预期共识有两个好处：第一是交易效率高，矿工工作不会被浪费。第二是可以控制分岔。Filecoin 通过权重和抵押机制来促使矿工选择一条最有效的链，对同时挖多个链的矿工进行惩罚。
在EC共识中矿工赢得选举的可能性跟矿工当前的存储能力成正比，而存储能力则由复 制证明和时空证明来衡量。时空证明可以利用证明链及时间戳证明矿工在一定时长内存储数据，即使验证者不在线，也能够在未来去验证矿工在该段时间内生成了证明链，有效防止临时生成数据攻击。
而复制证明可以证明数据已经在一个特定的扇区创建成功。并且防范女巫攻击、外部数据源攻击以及生成攻击。复制证明避免让矿工可以透过不同方法让自身存储数据小于承诺存储数据，以获得额外报酬。
此外，需要注意的是Filecoin的参与和挖矿并不是有矿机就可以，还需要质押代币。Filecoin为了防止客户的数据丢失，设置了一种质押机制，也可以理解为矿工惩罚机制。当一笔交易协议生成时，矿工会将客户提供的数据存放于网络中，这个区域称为扇区Sector。每个扇区会包含存储文件内容及承诺存储时长，确保客户在约定存储时长中，可以自由运用自身存储的数据。
当矿工想添加一个扇区至Filecoin网络时，他需要质押一笔锁定资金。这个锁定资金由两个部分组成：矿工自身持有的 FIL 代币以及部分区块奖励。如果矿工在承诺的存储时长内离线，他就会损失一部分的锁定资金。如果矿工完全停止存储行为，那他则可能将失去所有锁定代币。
2. Filecoin生态内的存储市场与检索市场
在Filecoin中，有内置的存储和检索两个市场可供矿工参与挖矿与记账，通过报价和抢单系统，保证矿工提供服务时获得用户支付的代币。存储矿工在市场上提供硬盘容量，获得用户的存储费用，同时，存储矿工通过时空证明，获得创建新区块（挖矿）的权利，获得挖矿奖励；检索矿工帮助用户从 IPFS 网络上检索提取已经保存的内容地址，从而获得检索挖矿奖励。
存储市场：Filecoin存储市场是一个可验证的市场，由区块链网络来进行验证。Filecoin 存储市场中客户提出存储数据的需求，而存储的供给方为存储矿工，提供他们的存储空间。存储并非一次性服务，需要矿工的稳定性及持续性。矿工可以通过三个方式获得奖励：交易费；区块奖励；网络交易加速费。交易费及网络交易加速费为客户事前支付，区块奖励为系统所生成。
检索市场：Filecoin检索市场为链下市场，提供客户检索所需要的数据，并且由检索矿工来提供检索服务。检索矿工不参与区块生成环节，直接从客户端获取相应服务费用。检索矿工数据来源可以是来自其他客户端、存储矿工或是 IPFS 网络。
存储市场及检索市场有四个差别：第一，检索矿工存储数据没有时间要求，也不需要生成存储证明。第二，网络中的任何用户都可以通过为客户提供数据检索服务，不需要质押FIL。第三，检索矿工对宽带带宽要求高，需要快速进行支付及数据传输，存储矿工则对存储能力要求较高。第四，存储矿工可以获得区块奖励、交易费及网络加速费，检索矿工只能获得检索交易费。
3. Filecoin经济模型推演
经由以上分析，我们可以看出Filecoin与比特币网络不同的地方主要在于提供服务性质差异：存储是长时间的服务，因此Filecoin网络需要矿工长时间稳定工作参与挖矿维持网络的稳定，而非像比特币网络一样，矿工可以自由进出。因此Filecoin采用网络基准奖励模型而非时间指数衰减模型。这就导致家庭存储硬件在运维、安全、稳定等角度都难以达到参与Filecoin挖矿的要求，一般家庭环境下很难保证24小时不断网断电，并且还要及时提交时空证明，所以家庭挖矿的矿机将被证伪，矿工的门槛大概率提高至专业规模化的水平。
分开来看，Filecoin存储市场的需求主要来自于网络中的去中心化存储需求，而供给方为存储矿工。传统中心化存储或云服务运营商如Amazon或Google相比Filecoin具有显着的规模及技术成本优势，依照市场供需理论，矿工的报价需要比中心化存储低才能在存储市场生存。因此可以推断，在Filecoin网络上先的早期，存储市场的需求将以隐私敏感性高及成本敏感性高的中小型客户为主。长期而言，存储报价与存储市场需求规模将呈现一定的反相关性。换言之，存储矿工或将适当地降低报价，以获得更多的存储订单，使获得出块机会的概率提高，而收益来源最终将是FIL的币价上涨。
在真实的世界环境中，Filecoin上线初期大概率并不会有太多真实的存储需求，所以早期参与矿工的收益主要是区块奖励，而这个阶段矿工存储的有效数据大部分都将是自己刷单存储的数据。
Filecoin通过区块奖励鼓励矿工贡献自己的硬盘来建设分布式存储网络，当Filecoin网络上有足够规模的存储空间，网络的安全性、稳定性达到一定程度的时候，就会有越来越多的机构和个人开始将自己的数据托管到Filecoin网络的服务器上，矿工就开始产生的存储挖矿的收益。
检索需求早期主要来自有价值化信息需求的区块链用户。早期IPFS网络存储的内容尚未规模化，检索服务相较中心化网络同样较无优势。随着 IPFS 存储市场逐渐规模化，可供用户检索的文件越来越多，检索矿工的重要性及收益也会逐步提升。FIL 的价格对检索矿工影响不大，检索矿工收益只有交易费，并不包含区块奖励。检索矿工最优策略是同时成为存储矿工，并适当降低报价，以获得更多的检索订单，同时提高网络带宽利用率。在这个情况下，检索矿工可以直接从客户端获取数据。
当Filecoin网络上有一定数量的真实数据的时候，就会产生检索需求，矿工就会有检索挖矿的收益。这三部分的收益是相辅相成的，只有在前期占据一定算力优势的矿工节点才会获得更多的存储订单，有越多的真实存储订单，存储矿工的服务器里存储的有效数据越多，在后期检索挖矿阶段也相应可以获得更多的检索奖励。从这个发展路径中我们不难看出类似互联网中共享经济的发展模式。
4. FIL矿工持币策略与价格分析
根据对Filecoin投资者、Protocol Labs、基金会及矿工的产币量进行的统计，预计前6个月每个月总产币为3411万枚，第一年总产量为3亿6513万枚。
宏观角度看，由于各类矿工都需要质押FIL以获得区块奖励，且 FIL 代币为线性逐步释放，因此预期供给端缓慢增长而增长率指数递减。从长期来看，如果需求端的服务需求逐步增长，决定了市场各参与方必须持续购买 FIL。
微观角度看，存储和检索服务价格的稳定性对于用户而言是重要的，因此存储及检索交易费的价格需锚定法币或稳定币，无论FIL上涨或下跌。当 FIL 价格上涨时，客户会支付较少 FIL 单位的交易费及网络加速费，矿工区块奖励占收益比例上升。当 FIL 价格下跌时，客户会支付较高 FIL 单位的交易费及网络加速费，矿工区块奖励占收益比例下降。假设只考虑服务需求因素，FIL 价格上涨时，客户在二级市场购买 FIL 的速率会趋缓，FIL 价格下跌时，客户在二级市场购买 FIL 的速率会上升，达到调节二级市场的功能。
综合而言，矿工最优策略为长期持有FIL，除了挖矿需要质押 FIL之外，FIL币价涨幅决定了矿工收益率，因为初期阶段的交易费无法覆盖挖矿成本。
Filecoin作为分布式存储网络，FIL的核心应用场景在于商用存储客户的使用，以及矿工的挖矿抵押，但前者在网络上线初期势必难以达到当今行业的高期待。在Filecoin存储网络还未完全完善的情况下，大规模企业商用资料存储会消耗大量的时间与硬件资源，这意味它在主网上线早期阶段大规模商用暂时还不现实。
因此在Filecoin网络真正成熟稳定且有海量商用存储需求真实涌入之前，FIL 币价将主要由购币抵押的矿工以及二级市场投资者支撑，矿工与存储空间的增长情况以及二级市场的投资炒作热度会在很大程度决定 FIL 的币价走势。
四．IPFS生态图景
作为2015年网络上线，2017年完成巨额融资的天王级项目，IPFS与Filecoin网络在今年终于将迈入主网启动的新篇章。在过去的数年中，区块链与数字资产行业围绕IPFS和Filecoin已经发展迭代出了繁荣的生态。
在生态上游，Protocol Labs及社区开发者们对网络持续进行开发贡献，同时众多区块链项目采用IPFS为存储基础架构，为IPFS的大规模使用打下基础；矿机设计与制造由于与比特币当前挖矿使用的专用矿机不同，不需要高精尖的芯片研发，因此Filecoin矿机的设计制造门槛相对较低，中国中低端制造业发达，行业内参与广泛，最早可追溯到Filecoin募资的2017年。
在2019年之前所谓的 IPFS 服务器或者 Filecoin 矿机，尽管很多产品搭配着服务器外衣，但拥有的却是 PC 内脏，项目官方也警告不要参与所谓的矿机购买，这一阶段的大多矿机也最终沦为销售骗局。随着2019年Filecoin代码逐步开源，计算的要求被提到和存储同等甚至更重要的地步，这导致之前众多“矿机”被宣告淘汰。2019年年底，Filecoin挖矿需要GPU的消息公布后，为了Filecoin而布局的矿机再次迭代，硬件标准一路提高至128GiB 内存，多核心的 CPU以及有一块 NVIDIA的2080Ti显卡。随着测试网今年最终上线，集群挖矿模式成为主流，众多矿工已经完成布局，进入最后的算力筹备以及网络层管理调试阶段。据了解，国内Filecoin矿机销售商至少达到 200-300 家，头部数家厂商的销售额甚至超过 10 亿。
而在过去的三年中，众多提前购买了各类矿机的矿工为了提前回本，也采取了越来越流行的云算力机制，与带有流量终端的销售渠道合作，将矿机算力提前拆解为云算力的形式出售给因为门槛过高无法个人参与的零售投资者们。个人投资者往往会选择参与头部矿池集群，因为Filecoin的挖矿马太效应明显，从测试网数据可以看出，前 5 名矿池的产币效率是 6-10 名矿池的 4 倍以上。
在FIL代币的交易流通环节，不少交易所已经上线了FIL的期货代币开放交易，交易所与FIL的公募投资人合作，使用FIL的公募份额作为底层，吸引投资者购买交易FIL期货。由于Filecoin的巨大热度与布局资金的规模体量，交易所层面预计会对主网正式上线后的FIL给与支持，从代币交易与零售矿池两个角度切入Filecoin生态。
结语
IPFS与Filecoin的发展在过去数年中可谓是“犹抱琵琶半遮面，千呼万唤始出来”。一方面IPFS网络的存储特性早已在相当的范围内得到社区与用户的认可，IPFS早已成为区块链世界中分布式存储的基础架构不二选择，且正在以向上的势头继续发展；另一方面Filecoin代币巨额募资背景下整个项目市值估值已经高达300亿美元，硬件标准与挖矿经济模型几经变更仍有不确定模糊之处，行业内矿机生产销售鱼龙混杂，不少高仿IPFS与Filecoin的项目披着“区块链”与“分布式存储挖矿”的外衣，喊着“金融启示”的口号，行欺诈之实。正所谓有人脚踏实地，有人仰望星空，相信在不远的将来，如同IPFS星际文件系统美妙的名字一般，IPFS与Filecoin能够真正变革存储生态，为人类互联网底层协议添砖加瓦。
同时需要注意的是，Filecoin的主网上线时间已经经过多次推迟，当前Protocol Labs仍未使行业确信在八月底之前能够激活主网。围绕在Filecoin的挖矿经济模型周围尚有不少不明确的机制问题待进一步厘清，FIL的币价表现与流动性水平能否支撑起一个健康运转的存储市场目前来说还具有非常大的不确定性。在上述背景下，对IPFS与Filecoin感兴趣的用户以投资人仍适宜采取谨慎乐观的态度，对项目技术与生态进展保持密切关注，避免陷入投机狂热当中。