FSN: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。

天津市：運用區塊鏈等技術 發現可能發生的突發公共衛生事件:5月18日，《天津市突發公共衛生事件應急管理辦法》正式出臺。管理辦法指出，本市將建立和完善突發公共衛生事件監測與預警系統。衛生健康主管部門應當指定醫療機構、疾病預防控制機構等專門機構負責突發公共衛生事件的日常監測，確保監測與預警系統的正常運行；會同有關部門健全監測網絡，根據需要設立監測點，充分運用大數據、云計算、區塊鏈、人工智能等技術，綜合評價監測數據，及時發現潛在隱患和可能發生的突發公共衛生事件。(天津網)[2020/5/18]

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。

新韓金融集團布局數字核心技術 旗下Orange Life將主導區塊鏈業務:據韓聯社消息，3月23日，新韓金融集團宣布其首席執行官趙永炳將推出直接管理數字核心技術的“數字監護人系統”。新韓金融集團選擇未來需要的數字核心技術，并指定一個監護集團公司，且該集團的CEO將成為監護人并領導該項數字核心業務。其中，新韓金融集團旗下公司Orange Life被選為區塊鏈板塊業務。[2020/3/23]

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？

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。

CoinGeek創始人：Kleiman案不會影響技術 無論輸贏對BSV來說都是好事:今日有推特網友稱，毫無疑問，CSW（Craig Wright）就是中本聰，但很多事情對郁金香信托沒有多大意義。Kleiman一案肯定對他不利，如果你的錢都在BSV里，這是在賭博。對此CoinGeek創始人Calvin Ayre回復道，這是錯誤的，Kleiman一案不會影響這項技術。這個案子是關于中本聰代幣的，即使輸掉官司也會證明CSW對每個人來說就是中本聰，這對BSV來說是好事。[2020/3/12]

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。

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

動態 | 民航工作會議：運用區塊鏈等新技術 是提升治理能力的必要手段:據中國民用航空局官網消息，2020年全國民航工作會議1月6日在北京召開。會議明確了推進民航治理體系和治理能力現代化的總體目標和基本要求，提出要堅持創新發展，廣泛運用互聯網、大數據、人工智能、區塊鏈等新技術，是提升治理能力的必要手段。[2020/1/6]

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。

聲音 | 陳偉星：區塊鏈是促進集體主義的技術 讓社會經濟關系可編程:7月12日消息，陳偉星剛剛發布微博稱：“區塊鏈是促進集體主義的技術，讓社會經濟關系可編程；發幣就是當公務員，必須以建立公信為原則。貪污、私吞公共資金、通過欺詐竊取老百姓利益，完全是區塊鏈精神背道而馳的。做區塊鏈技術，就是做防止造假的技術；宣傳區塊鏈精神，就是傳播信任，打擊造假的精神。這種“擋騙子財路”的行為，就是區塊鏈所有的行為，這就是區塊鏈時代與私有制公司行為最大的變革！”[2018/7/12]

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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