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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。
蚂蚁正研发区块链新技术 或推动区块链大规模应用提前十年:6月3日消息，近日，金融科技专家Yassine Regragui在社交平台爆料称，蚂蚁集团正研发一项名为LedgerDB的新技术，比现有联盟链快至少80倍，称将区块链大规模应用时代提前至少十年。[2020/6/3]
*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。
声音 | 人民日报：区块链不只是下一代互联网技术 更是下一代合作机制和组织形式:11月4日，人民日报刊文《区块链，换道超车的突破口》，文章表示，发展区块链大方向没有错，但是要避免一哄而上、重复建设，方能在有序竞争中打开区块链的发展空间。中国在区块链领域拥有良好基础，一些大型互联网公司早有布局，已有20多个省份出台推动区块链产业的政策，人才储备相对充足，应用场景比较丰富，完全有条件在这个新赛道取得领先地位。从更大视野来看，人类能够发展出现代文明，是因为实现了大规模人群之间的有效合作。市场经济“看不见的手”，也是通过市场机制实现了人类社会的分工协作。在此基础上，区块链技术将极大拓展人类协作的广度和深度。也许，区块链不只是下一代互联网技术，更是下一代合作机制和组织形式。[2019/11/4]
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。
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。
动态 | 币安正研究“新钱包”技术 以支持乌干达当地人随时收发数字货币:据链得得消息，币安慈善利用区块链技术、加密数字钱包的方式，在乌干达地区开展慈善救助。截至目前，币安慈善已经在乌干达为10所学校约3700名师生提供免费午餐。[2019/5/31]
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
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。
声音 | 罗斯·莱克：中国可以更好地结合区块链等技术 推出新产品新服务:据中国金融新闻网报道，国际货币基金组织副法务总监、FINTECH工作组联合负责人罗斯·莱克称，从IMF的角度来看，金融科技的含义十分广泛，不只限于各项技术，而是覆盖了互联网、云计算、分布式账簿计划、区块链及加密货币等系统，也包括人工智能、大数据、生物统计数据、API及移动通信等科技。“这些技术在中国都得到了很好的体现。中国可以将以上技术更好地结合，推出激动人心的新产品与新服务。”[2018/9/4]
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：
▲?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。
新西兰航空公司看好区块链技术 欲借此提高服务质量:11月23日，新西兰航空宣布与来自瑞士的旅游初创企业Winding Tree达成合作，双方将共同探索区块链技术的应用。新西兰航空希望以此来提高自身的服务效率和安全性，例如订票服务、行李跟踪服务等。[2017/11/24]
▲?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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