技術 | IPFS網絡是如何組建的？_FSN

回顧

IPFS-InterPlanetaryFileSystem星際文件系統，是一個點對點的分布式文件存儲系統，IPFS的愿景是構建一個全世界的分布式網絡，用來替代傳統中心化的服務器模式，所有的IPFS節點組成一個分布式網絡，每個節點都可以存儲文件，用戶可以從IPFS構建的網絡中以DHT(DistributedHashTable，分布式哈希表)?的方式獲取文件，從而實現了新一代的完全去中心化的網絡，旨在取代現有的萬維網。IPFS功能很豐富，如DHT組網，文件存儲，Bitswap文件交換等功能。

文件存儲和文件交換的技術詳解可以通過之前的推文內容進行了解，今天我們來了解這個文件系統的“地基”——網絡模塊。

IPFS網絡初識

IPFS是一個開源項目，要達到它聲稱的構建一個全世界的分布式網絡的目標，那么他必然要先解決不同國家、不同地區節點的連接問題。

動態 | 360利用區塊鏈等前沿技術 助力汽車信息安全:人民網發布《信息安全將成為汽車安全主戰場》一文，文中指出，汽車信息安全之于汽車企業，一如手機信息安全之于手機制造商。奔馳與360的合作可謂是汽車信息安全的典型案例，360汽車安全大腦的“新盔甲”是一個分布式智能系統，集合百萬億級安全大數據、知識庫以及360安全專家庫資源，綜合利用人工智能、大數據、云計算、區塊鏈等前沿技術，構建整套實時防護體系，從硬件到云端進行防護，形成安全閉環后從而減少風險產生。[2020/1/14]

首先，看一下IPFS網絡部分配置，如下圖所示，紅框內部的Swarm是IPFS監聽的網絡地址，其中支持ipv4和ipv6協議，且默認支持QUIC協議。

*QUIC協議是由google最先提出的，目前已經提交給互聯網工程任務小組，成為了正式的網絡規范，相對于TCP來說QUIC網絡傳輸協議的傳輸速度更快。

動態 | 浙江上虞與新華網融合區塊鏈等技術 推出長三角數字經濟總平臺:據新華網消息，新華網與上虞區委、區政府展開合作，共建溯源中國·長三角數字經濟總平臺，該平臺以“追蹤物聯網”技術為核心，聯合了國內權威機構及領先企業，并充分融合區塊鏈、移動互聯網、物聯網、大數據、人工智能等先進技術，以此保障產品品質可溯、品牌可信。當前，平臺已形成涵蓋“農資溯源、農產品溯源、畜產品溯源、食品快消品溯源、醫保藥品溯源及版權區塊鏈溯源”等六大行業解決方案。[2019/12/17]

IPFS節點啟動之后日志如下圖所示，可以看到IPFS節點監聽了以下網絡地址，其中包括本地的、局域網、廣域網的地址，最后還有/p2p-circuit地址。

問題來了，為什么需要監聽這么多地址？

聲音 | 解放日報：我們要支持真正的區塊鏈技術 而不是投資騙局:解放日報今日發表文章《真正的區塊鏈不是那些“比特幣”》。文中稱區塊鏈技術并不復雜，但找到合適的應用場景，可能還需要有一個很長的過程。比如海關可以利用區塊鏈解決貿易真實性問題，供應鏈可以利用區塊鏈解決事故追溯問題，保險可以利用區塊鏈解決騙保騙賠問題，這些都是將技術與產業結合，解決實際問題的例子，也是區塊鏈未來的發展方向。但幾乎可以肯定的是，在行業火熱的同時，必然也會有一些打著區塊鏈旗號的投資騙局出現。請記住，我們要支持的，是真正的區塊鏈技術，而不是那些加密數字貨幣。對于這一點，監管層和投資者都一定要保持清醒和冷靜，做到心中有數，風險可控。那些投機取巧，只想靠區塊鏈撈一筆的，只會成為區塊鏈發展中被擠出的泡沫。[2019/10/27]

那是因為IPFS是一個開源項目，為了讓全世界各地的節點連接起來則必須要解決各種網絡情況下節點連接的問題。

監聽本地地址，這樣本地啟動多個IPFS節點，它們之間可以以該地址進行連接，監聽局域網地址，這樣內網內啟動多個IPFS節點，它們之間可以以該局域網地址相互連接，監聽廣域網地址，這樣公網中啟動多個IPFS節點，它們之間可以以該廣域網地址進行連接。

聲音 | imToken首席執行官：EOS是一項新技術 確實看到其潛力:據CCN報道，中國加密貨幣錢包創業公司imToken的首席執行官何斌在接受CCN的采訪時表示，EOS是一項新技術，雖然由于EOS主網的引入和推出，EOS出現了一些問題和缺點，但仍可其他其新技術。至少在中國，有些人確實看到了EOS引入的技術和概念的潛力。目前，24%的EOS成交額源自韓國，而韓國正是imToken在全球的第二大市場。此外，imToken計劃首先支持EOS代幣，并計劃整合其認為的用戶所需要的，創新的或擁有可靠技術的代幣。將提供鏈上治理工具和其他生態系統工具包，以支持投資于EOS生態系統的用戶。[2018/7/4]

通過上述方式就解決了大部分網絡情況下的IPFS節點的網絡連接問題：

2個節點都在同一主機：通過127.0.0.1地址連接

2個節點在同一個內網內：通過局域網地址連接

2個節點都有公網地址：通過公網地址連接

普京看好區塊鏈技術 呼吁確保數字貨幣安全性:據鳳凰科技引用Russia Insight報道，在日前俄羅斯國內一次會議上，俄羅斯總統普京與俄羅斯最大銀行總裁探討了區塊鏈技術。普京完全看好區塊鏈技術，俄羅斯有豐富的油氣資源，可以與區塊鏈技術進行很好的結合，但必須保證數字貨幣的安全性。普京對數字貨幣十分關注，在多次會議上提及，但也一直持謹慎態度。去年一場有關數字貨幣的會議他曾表示，數字貨幣在一些國家已經成為或正在變成一種支付方式或投資資產，但使用這種貨幣存在嚴重風險，會給洗錢、逃稅、資助恐怖主義和詐騙等行為創造條件，普通百姓可能會因此受到傷害。[2018/2/25]

1個節點在內網，1個節點在公網：內網的節點通過在公網節點的公網地址連接

這里有一個問題，如果2個節點處于兩個不同內網環境，由于存在NAT設備，NAT設備可能是對稱型，對稱型的NAT設備是沒有辦法穿透的，所以IPFS提供了relay的方式解決不同內網環境下節點的連接問題，上面提到的監聽/p2p-circuit地址則是為了解決該問題，對于2個處于不同內網環境不能直接連接的節點，通過配置relay節點中轉從而建立連接。

至此，IPFS解決了不同網絡環境下的節點之間建立連接的問題，下面我們來看一下IPFS是如何構建大規模的分布式節點網絡，將處于全世界的不同地區的各個節點連接起來的。

IPFS網絡構建

IPFS網絡構建的過程可以看作是兩個階段：

▲?Bootstrap階段

IPFS節點在啟動之前需要配置它的Bootstrap節點，配置文件中相關配置如下圖所示，Bootstrap配置中配置了IPFS節點啟動時需要連接的所有種子節點列表，這些節點地址列表信息是默認的，如果需要搭建IPFS私有網絡可以修改成自己的種子節點列表。默認提供的種子節點都是具有公網地址的節點，IPFS節點啟動的時候首先連接該種子節點，后續通過該種子節點去發現IPFS網絡中更多的節點，從而進行連接，也就是DHT組網階段。

▲?DHT組網階段

IPFS節點連接種子節點成功以后則去通過DHT去發現其他節點，關于DHT的詳解可以看這篇文章《Libp2p中DHT和Bitswap詳解》。

發現其他節點之后則嘗試進行連接，連接成功的節點會加入到該節點的節點列表，以便后續可以直接與該節點通信，考慮到全世界的IPFS節點規模很大，不可能每個節點和其他節點保持長連接，所以對每個節點的連接數量做了限制，一般節點連接數量都在1千以下，對于沒有連接的節點需要通信的話，可以通過DHT找到該節點地址，然后連接該節點進行通信，這樣就構成了大規模的分布式節點網絡。

我們可以通過一個示例展示上述過程。下圖是一個常見的網絡拓撲架構，有三個網絡分別連接了Internet，IPFSnode1部署在具有公網ip的服務器上，外部可以直接訪問該節點，IPFSnode2和IPFSnode3都部署在對稱型NAT設備后面，外部不能訪問該節點。

在上面的網絡架構下，處于公網的IPFSnode1作為種子節點，種子節點最先啟動，然后IPFSnode2，node3，node4，node5的種子節點配置成IPFSnode1，分別啟動后首先連接IPFSnode1，連接成功后通過DHT發現其他節點最后分別連接，對于IPFSnode1，它連接的節點地址列表如下圖所示，由于IPFSnode2,node3,node4,node5均處于NAT設備后面，所以IPFSnode1節點列表中這些節點的端口都是NAT設備映射后的端口。

對于IPFSnode3來說，它的節點地址列表中，IPFSnode1的地址是公網地址，由于IPFSnode3和IPFSnode2都處于NAT設備后面，不能直接連接，所以IPFSnode2的地址是relay地址，IPFSnode1節點作為relay節點，IPFSnode3給IPFSnode2發消息時通過IPFSnode1轉發，relay地址格式為：

Relay節點的地址/p2p-circuit/p2p/目標節點id

而IPFSnode3的節點地址列表中，IPFSnode4和IPFSnode5的地址均為局域網地址，這樣就完成了公網節點、處于NAT設備后的局域網節點的組網過程。

總結

以上就是IPFS網絡的組建過程，為了方便描述只是以幾個IPFS節點為例。

實際上IPFS的這種網絡組建方式也能很好地支持超大規模節點的組網，當節點規模很大的時候，設置數十個節點作為種子節點，通過DHT組網就能完成數萬甚至更多節點的組網，此時每個節點的長連接數量保持在數百個，后續節點間通信時，如果還沒有建立連接，可以通過DHT根據節點id查詢該節點的地址信息，然后通過該地址連接該節點最后完成通信過程。

IPFS網絡的這種組建方式也非常值得分布式系統學習和借鑒。

作者簡介

姚文豪來自數據網格實驗室BitXMesh團隊數據平臺架構師

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