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IPFS-InterPlanetaryFileSystem星际文件系统，是一个点对点的分布式文件存储系统，IPFS的愿景是构建一个全世界的分布式网络，用来替代传统中心化的服务器模式，所有的IPFS节点组成一个分布式网络，每个节点都可以存储文件，用户可以从IPFS构建的网络中以DHT(DistributedHashTable，分布式哈希表)?的方式获取文件，从而实现了新一代的完全去中心化的网络，旨在取代现有的万维网。IPFS功能很丰富，如DHT组网，文件存储，Bitswap文件交换等功能。
文件存储和文件交换的技术详解可以通过之前的推文内容进行了解，今天我们来了解这个文件系统的“地基”——网络模块。
IPFS网络初识
IPFS是一个开源项目，要达到它声称的构建一个全世界的分布式网络的目标，那么他必然要先解决不同国家、不同地区节点的连接问题。
首先，看一下IPFS网络部分配置，如下图所示，红框内部的Swarm是IPFS监听的网络地址，其中支持ipv4和ipv6协议，且默认支持QUIC协议。
中国人民大学卞永祖：在实现数据互联时要运用区块链等技术 重点保障数据安全:金色财经消息，中国人民大学重阳金融研究院产业部副主任卞永祖表示，未来数据的安全性将更加受重视，尤其是资本市场中的数据，不仅涉及到大量的交易数据，也涉及到大量个人隐私数据。在实现数据互联的同时，要运用区块链等技术，重点保障数据安全。同时，两个平台的数据互联还会涉及到相关部门之间的沟通协调机制，只有建立了相应的机制和人员体系，才能保证合作紧密和系统的顺利运转。（证券时报）[2020/3/16]
*QUIC协议是由google最先提出的，目前已经提交给互联网工程任务小组，成为了正式的网络规范，相对于TCP来说QUIC网络传输协议的传输速度更快。
IPFS节点启动之后日志如下图所示，可以看到IPFS节点监听了以下网络地址，其中包括本地的、局域网、广域网的地址，最后还有/p2p-circuit地址。
动态 | 浙商银行贵阳分行利用区块链技术 为疫情间的小微企业提供资金补给:据经济日报消息，抗击新冠肺炎疫情，中国银行业积极行动，12家全国股份制商业银行及时推出多项举措，以实际行动助力小微企业抗击疫情。其中，浙商银行贵阳分行迅速启动信贷“绿色通道”，梳理出存在困难的上游小企业37户，依托以该集团为核心的应收款链平台商圈，通过区块链应收款支付工程款、劳务费等，企业收到区块链应收款，即可在线实时转让给浙商银行获得流动资金。疫情管控期间，该行已有21户上游小微企业借此获得了2.2亿元资金补给。[2020/2/14]
问题来了，为什么需要监听这么多地址？
那是因为IPFS是一个开源项目，为了让全世界各地的节点连接起来则必须要解决各种网络情况下节点连接的问题。
动态 | 民航工作会议：运用区块链等新技术 是提升治理能力的必要手段:据中国民用航空局官网消息，2020年全国民航工作会议1月6日在北京召开。会议明确了推进民航治理体系和治理能力现代化的总体目标和基本要求，提出要坚持创新发展，广泛运用互联网、大数据、人工智能、区块链等新技术，是提升治理能力的必要手段。[2020/1/6]
监听本地地址，这样本地启动多个IPFS节点，它们之间可以以该地址进行连接，监听局域网地址，这样内网内启动多个IPFS节点，它们之间可以以该局域网地址相互连接，监听广域网地址，这样公网中启动多个IPFS节点，它们之间可以以该广域网地址进行连接。
通过上述方式就解决了大部分网络情况下的IPFS节点的网络连接问题：
2个节点都在同一主机：通过127.0.0.1地址连接
2个节点在同一个内网内：通过局域网地址连接
2个节点都有公网地址：通过公网地址连接
1个节点在内网，1个节点在公网：内网的节点通过在公网节点的公网地址连接
声音 | 阿里云中国区副总裁：阿里正输出区块链等前沿技术 把重庆打造成为“数字城市标杆”:据重庆晚报报道，阿里云中国区副总裁陈斌表示，阿里巴巴作为领先的科技公司，正通过从农村到城市、从线上到线下，输出云计算、区块链等前沿技术，把重庆打造成为“数字城市标杆”。[2019/7/17]
这里有一个问题，如果2个节点处于两个不同内网环境，由于存在NAT设备，NAT设备可能是对称型，对称型的NAT设备是没有办法穿透的，所以IPFS提供了relay的方式解决不同内网环境下节点的连接问题，上面提到的监听/p2p-circuit地址则是为了解决该问题，对于2个处于不同内网环境不能直接连接的节点，通过配置relay节点中转从而建立连接。
至此，IPFS解决了不同网络环境下的节点之间建立连接的问题，下面我们来看一下IPFS是如何构建大规模的分布式节点网络，将处于全世界的不同地区的各个节点连接起来的。
IPFS网络构建
IPFS网络构建的过程可以看作是两个阶段：
禅城利用区块链技术 开展儿童青少年眼健康管理模式试点:据南方都市报报道，5月初起禅城将选取10所小学和3所中学，推进“区块链+视力”，利用儿童青少年眼健康综合平台，开展儿童青少年眼健康管理模式试点。这是禅城利用区块链技术推进的又一项公共服务改革。中山大学中山眼科中心博士乐美华介绍，传统的视力检查结果大部分是手写，容易丢失，且每次检查的结果是孤立的。而“区块链+视力”，通过智能筛查设备，20秒左右完成双眼屈光度检查，检查结果能自动上传至数据平台，通过长期的视力筛查跟踪，汇总成大数据。从长期看，禅城将通过3-5年的数据跟踪观察，探索改善儿童青少年眼健康的干预措施，为政府制定防控策略和相关政策提供科学依据和数据支撑。[2018/4/20]
▲?Bootstrap阶段
IPFS节点在启动之前需要配置它的Bootstrap节点，配置文件中相关配置如下图所示，Bootstrap配置中配置了IPFS节点启动时需要连接的所有种子节点列表，这些节点地址列表信息是默认的，如果需要搭建IPFS私有网络可以修改成自己的种子节点列表。默认提供的种子节点都是具有公网地址的节点，IPFS节点启动的时候首先连接该种子节点，后续通过该种子节点去发现IPFS网络中更多的节点，从而进行连接，也就是DHT组网阶段。
▲?DHT组网阶段
IPFS节点连接种子节点成功以后则去通过DHT去发现其他节点，关于DHT的详解可以看这篇文章《Libp2p中DHT和Bitswap详解》。
发现其他节点之后则尝试进行连接，连接成功的节点会加入到该节点的节点列表，以便后续可以直接与该节点通信，考虑到全世界的IPFS节点规模很大，不可能每个节点和其他节点保持长连接，所以对每个节点的连接数量做了限制，一般节点连接数量都在1千以下，对于没有连接的节点需要通信的话，可以通过DHT找到该节点地址，然后连接该节点进行通信，这样就构成了大规模的分布式节点网络。
我们可以通过一个示例展示上述过程。下图是一个常见的网络拓扑架构，有三个网络分别连接了Internet，IPFSnode1部署在具有公网ip的服务器上，外部可以直接访问该节点，IPFSnode2和IPFSnode3都部署在对称型NAT设备后面，外部不能访问该节点。
在上面的网络架构下，处于公网的IPFSnode1作为种子节点，种子节点最先启动，然后IPFSnode2，node3，node4，node5的种子节点配置成IPFSnode1，分别启动后首先连接IPFSnode1，连接成功后通过DHT发现其他节点最后分别连接，对于IPFSnode1，它连接的节点地址列表如下图所示，由于IPFSnode2,node3,node4,node5均处于NAT设备后面，所以IPFSnode1节点列表中这些节点的端口都是NAT设备映射后的端口。
对于IPFSnode3来说，它的节点地址列表中，IPFSnode1的地址是公网地址，由于IPFSnode3和IPFSnode2都处于NAT设备后面，不能直接连接，所以IPFSnode2的地址是relay地址，IPFSnode1节点作为relay节点，IPFSnode3给IPFSnode2发消息时通过IPFSnode1转发，relay地址格式为：
Relay节点的地址/p2p-circuit/p2p/目标节点id
而IPFSnode3的节点地址列表中，IPFSnode4和IPFSnode5的地址均为局域网地址，这样就完成了公网节点、处于NAT设备后的局域网节点的组网过程。
总结
以上就是IPFS网络的组建过程，为了方便描述只是以几个IPFS节点为例。
实际上IPFS的这种网络组建方式也能很好地支持超大规模节点的组网，当节点规模很大的时候，设置数十个节点作为种子节点，通过DHT组网就能完成数万甚至更多节点的组网，此时每个节点的长连接数量保持在数百个，后续节点间通信时，如果还没有建立连接，可以通过DHT根据节点id查询该节点的地址信息，然后通过该地址连接该节点最后完成通信过程。
IPFS网络的这种组建方式也非常值得分布式系统学习和借鉴。
作者简介
姚文豪来自数据网格实验室BitXMesh团队数据平台架构师
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