NODE:技術 | IPFS網絡是如何組建的？_SnowSwap

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。

上海市委書記：積極運用區塊鏈等技術 讓知識產權人辦事更方便:4月26日，上海市知識產權保護大會舉行。上海市委書記李強指出，要對標國際最高標準、最好水平，抓緊補短板、強弱項，全面提升知識產權保護能力和水平。同時公共服務要更完善，持續優化快速審查、快速確權、快速維權“一站式”服務，積極運用人工智能、區塊鏈等新技術，讓知識產權人辦事更方便。（中國證券報）[2020/4/26]

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。

通化縣法院采用區塊鏈智能合約技術 實現執行“一鍵立案”:3月16日消息，通化縣法院采用區塊鏈智能合約技術，實現執行“一鍵立案”。2019年末，通化縣法院成為吉林省法院系統首批審執銜接工作試點單位，探索以區塊鏈智能合約技術為依托，以調解結案為切入點，逐步推行審執工作自動銜接。在區塊鏈智能合約嵌入調解書案件中，作為當事人需要進行的操作只有一步：點擊“未履行完畢”按鈕，即可跳過后續繁復程序直接完成執行立案，后臺將通過區塊鏈智能合約技術自動生成執行申請書、抓取當事人信息、抓取執行依據、自動執行立案等。（新浪網）[2020/3/16]

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。

聲音 | 博思軟件：正積極探索區塊鏈技術 公司業務不涉及數字貨幣:博思軟件（SZ300525）在互動平臺回復投資者提問表示，公司始終堅持技術為業務服務的理念，積極研究并探索在合適的業務場景應用區塊鏈技術，公司業務不涉及數字貨幣。[2019/10/9]

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。

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

聲音 | 農行劉剛：基于大數據和區塊鏈技術 緩解三農地區信用體系不完善的問題:據金融界消息，3月22日，2019中國數字普惠金融大會在北京召開。中國農業銀行科技與產品管理局高級專家劉剛在會上表示，以前很難想象我們能夠把金融服務產品，尤其是信貸服務產品，能送到村里去。隨著技術的發展，我們能夠采用“云+端”的模式，把各種各樣的終端形式，在村一級的地方部署，基于大數據和區塊鏈技術，實現交易信息和客戶信息真實性、隱私保護和防篡改，有效緩解三農地區信用體系不完善的問題。[2019/3/22]

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。

區塊鏈領域首個國家標準獲批立項：《信息技術 區塊鏈和分布式賬本技術 參考架構》:據中國區塊鏈技術和產業發展論壇官方公眾號消息，根據《國家標準委關于下達2017年第四批國家標準制修訂計劃的通知》（國標委綜合[2017]128號），《信息技術 區塊鏈和分布式賬本技術 參考架構》作為區塊鏈領域的首個國家標準獲批立項。中國區塊鏈技術和產業發展論壇于2016年10月18日，在工業和信息化部、國家標準化管理委員會工業標準二部的指導下，由中國電子技術標準化研究院、螞蟻金服、萬向控股、微眾銀行、平安保險、樂視金融、萬達網絡科技等共同發起成立。[2018/1/5]

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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