NODE:技術 | IPFS網絡是如何組建的？

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。

公告 | 安永發布第三代零知識證明區塊鏈技術 可通過批量處理降低交易成本:據安永官網今日公告，安永已在以太坊公共區塊鏈上的公共領域發布第三代零知識證明（ZKP）區塊鏈技術。第三代ZKP區塊鏈技術可通過在一次交易中將多個私人轉讓批量處理來顯著降低交易成本，有助于使公共區塊鏈上的私人交易更具可擴展性。[2019/12/19]

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。

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。

動態 | 區塊鏈是個好技術 但被“炒幣”耽誤了:據每經網報道，區塊鏈從業者王飛飛表示：區塊鏈是個充滿想象力的技術，但被‘炒幣’給耽誤了。交易所和項目方存在潛在利益，有的交易所為了收取項目方傭金也會“睜一只眼閉一只眼”上幣。在相關部門加強監管后，依然有人換個“馬甲”，以海外注冊的方式攪亂幣圈和鏈圈的生態。此外，還存在虛擬貨幣交易所目前甄別虛擬貨幣項目的方法尚未成熟，虛擬貨幣用戶進入“存量博弈”等問題。[2018/10/10]

問題來了，為什么需要監聽這么多地址？

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 | 中國工程院院士：區塊鏈產業化需克服技術 應用場景 標準的挑戰:深圳商報報道，中國工程院院士柴洪峰表示，區塊鏈作為一項新技術從最初的萌芽到熱炒，再到實現大規模的產業應用，一般需要五到十年的成熟發展周期。區塊鏈在金融行業應用尚處早期階段，并不成熟，需要努力克服一系列的技術、應用場景、標準的挑戰，方能實際發揮作用。[2018/8/23]

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

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。

金色財經獨家分析 比特幣預測：A面是技術 B面是情緒:長久以來，在比特幣價格方面人們看了太多“支撐點”、“壓力位”以及MA，當分析師不斷提出的8600、9000、10000美元等關鍵位置突破后，漲跌依然還沒有定論，大漲大跌不為分析師的技術所動，股市那一套似乎不很奏效。金色財經獨家分析，目前加密貨幣市場漲跌的規律還尚未形成，用股市分析來看確實有些形式大于內容，但這并不代表技術不可靠，拋開股市技術，可以看一看供需方面的技術：日前FundstratQuantamental創建了價格/礦工的盈利率的新的比特幣定價標準，從生產和需求的角度來談，讓人更加信服；

即便如此，技術也只是比特幣價格的A面，B面仍然是情緒等非技術因素。由于加密貨幣背后的“實體”仍然不易找到，看政策，看期望，看整個市場帶來的各類利好或利空。日前韓國一項調查中顯示依據論壇的評論預測價格準確率超過了80%，可謂十分可靠的“情緒技術指標”了。加密市場的這種現象是可以理解的，畢竟即使在股市，“隨便買買”的盲目，沒有太多依據的看心情也是大有人在的。但應該反思的是，加密貨幣市場應該變得更有據可循一些，這需要更加嚴格風險控制體系、與實體經濟的進一步結合，同時也需要大機構和專業投資者的進一步加入，那時候情緒依然是情緒，但技術會更加具有參考價值。[2018/5/14]

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。

國泰君安：區塊鏈經濟的核心不在技術 而在于商業邏輯的重構:國泰君安表示，區塊鏈經濟的核心不在技術，而在于商業邏輯的重構。因此，這不僅僅是一場技術革命，更是一場認知革命。目前國內也有很多公司開始探索和布局區塊鏈，2018年將是區塊鏈進入步入實際應用的階段，會有很多精彩紛呈的項目落地，共享經濟進入新時代。

國泰君安建議，有別于其他創新，區塊鏈作為底層協議，需要一個學習期，上市公司短期也難從中獲得盈利改善。但如果風險偏好提升，A股中涉及區塊鏈的公司也有望受到資本熱捧。受益標的：飛天誠信、四方精創、恒生電子、易見股份、壹橋股份、贏時勝等。[2018/1/10]

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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