IPFS综述

1. IPFS工作原理

IPFS是一个P2P存储网络。内容可通过位于世界任何地方的对等点访问，这些对等点可能会传递信息、存储信息或两者兼而有之。IPFS知道如何使用它的内容地址(CID)来找到相关的内容，而不是基于它的位置。IPFS有三个基本原则：

1）通过内容寻址（内容标识符）进行唯一标识；

2）通过有向无环图链接内容（文件的内容）；

3）通过分布式哈希表发现（多地址）内容；

这三个原则相互建立，以实现IPFS生态系统。让我们从内容寻址和内容的唯一标识开始。

1.1内容寻址

IPFS使用内容寻址来识别内容。比如，在图书馆找书的时候，经常会询问书名，这就是内容寻址。传统的URLs和文件路径，通过其所在地址识别一个文件，它在什么计算机上和计算机硬盘上的哪个位置。

IPFS不是基于位置，而是通过文件中的内容或其内容来寻址文件。上面的内容标识是该地址内容的加密散列。散列对于它来自的内容是唯一的，即使与原始内容相比它可能看起来很短。它还可以验证你是否得到了你要求的内容，不一样的内容只会得到不同的哈希值。

1.2 Merkle DAG（默克尔有向无环图）

Merkle DAG是在Merkle树的基础上构建的，Merkle DAG和Merkle树很相似，但不完全一样，Merkle DAG不需要进行树的平衡 *** 作、非叶子结点允许包含数据等。Merkle DAG的目的主要有如下几点：

1）内容寻址：使用多重Hash（Multi-Hash的格式存有三种类型信息，类型，长度和哈希值）来唯一识别一个数据块的内容；

2）防篡改：可以方便地检查Hash值来确认数据是否被篡改；

3）由于内容相同的数据块Hash值是相同的，很容易去掉重复的数据，节省存储空间。

其中第三条是IPFS系统中最为重要的一个特性，在IPFS系统中，每个块的大小限制在256KB（暂定为256KB，这个值可以根据实际的性能需求进行修改）以内，那些相同的数据就能通过Merkle DAG过滤掉，只需增加一个文件引用，而不需要存储空间。

 1.3 DHT（分布式哈希表）

DHT的主要思想如下：全网维护一个巨大的文件索引哈希表，这个哈希表的条目形如。这里的Key通常是文件在某个算法下的哈希值（Key也可以是文件名或对文件内容的一种描述，如内容摘要），而Value则是存储文件的节点IP地址。查询时，仅需要提供Key，就能从表中查询到存储节点的地址并返回给查询节点。当然，这个哈希表会被分割成小块，按照一定的算法和规则分布到各个节点上。每个节点仅需要维护一小块哈希表。这样，节点查询文件时，只要把查询报文路由到相应的节点即可。

2. CID（内容标识符）

在去中心化网络上与对等方交换数据时，依靠内容寻址（而不是集中式的网络的位置寻址）来安全地定位和识别数据。内容标识符是字描述（自描述）的内容寻址标识符，它不指示内容存储在哪里，而是根据内容本身形成的一种地址。CID中的字符数取决于基础内容（文件内容）的加密哈希，而不是内容本身的大小。由于IPFS中大多数内容使用SHA2-256进行哈希处理，因此大多数CID的大小都相同，这使得它们更易于管理，尤其是在处理多个内容时。

创建CID的第一步是转换输入数据，使用加密算法将任意大小的输入（数据或者文件）映射到固定大小的输出，这种转换称为加密散列摘要或简称为散列。如下图所示：

​

使用的加密算法必须生成具有以下特征的散列：

1）确定性：相同的输入应该总是产生相同的哈希值；

2）不相关：输入的微小变化应该会生成完全不同的哈希值；

3）单向：从散列中重建数据应该是不可行的；

4）唯一性：一个文件产生一个特定的哈希值。

3. multiaddr（多地址）

检索节点就是接到用户请求需要检索某个内容的节点。存储节点就是存储了用户所需内容的节点（存储节点就是，用户请求检索某个文件时，存储该文件的节点）。当检索节点要检索某个内容时，实际上是要查找谁是存储节点并且存储节点到底在哪里。

当存储节点被找到后，IPFS网络就会返回存储节点的“多地址”。典型的“多地址”看起来是类似下面这样的一串字符：

/ip4/123.456.78.90/tcp/4001/ipfs/QmAbCdEfGhIjKlMnOpQrStUvWxYzAbCdEfGhIjKlMnOpQr

“多地址”为检索节点提供了以下信息：1）其它节点如果想与存储节点进行通信需要遵循什么协议（ipv4还是ipv6）；2）存储节点的IP（互联网上IP地址）是多少；3）其它节点访问存储节点时该访问哪个端口（与存储节点连接后，通过那个端口对文件进行传输、下载）；4）存储节点的Peer ID是多少。

4. UnixFS

将文件添加到IPFS时，它可能太大而无法放入单个块中，因此它需要元数据将所有块链接在一起（通过Merkle DAG中对象的links和data进行链接）。UnixFS是一种基于协议缓冲区的格式，用于描述IPFS中的文件、目录和符号链接。这种数据格式用于在IPFS中表示文件及其所有链接和元数据。UnixFS创建链接对象的块或块树。其功能如下表示：

data formats：管理UnixFS对象到协议缓冲区的序列化/反序列化；

importer：从文件和目录构建DAG；

exporter：导出DAG。

5. libp2p

libp2p是一个模块化的协议、规范和库系统，支持对等网络应用程序的开发，负责IPFS数据的网络通信、安全、对等路由和内容发现、交换等功能。libp2p能够帮助我们连接各个设备节点的网络通信库，任意两个及诶单[3] （节点），不管在哪里，不管什么处于什么环境，不管运行什么 *** 作系统，不管是不是在NAT之后。

5.1 寻址

Libp2p以一致的方式使用许多不同的寻址方案。多地址（缩写为multiaddr）将多层寻址信息编码为单个“面向未来”的路径结构。例如，/ipv4/171.113.242.172/udp/162表示使用地址为171.113.242.172的IPv4协议，同时向端口162发送UDP数据包。

15.2 传输

用于将数据从一台机器移动到另一台机器的技术。传输是根据两个核心 *** 作定义的，侦听和拨号。侦听意味着你可以接受来自其他对等方的传入连接。拨号是打开与侦听对等方的传出连接的过程。Libp2p的核心要求之一是传输不可知（不知道从哪个节点或多个节点进行文件的传输），这意味着使用哪种传输协议的决定取决于应用程序的开发人员。

1.5.3 安全

Libp2p支持将传输连接升级为安全加密的通道（当在DHT中找到存储文件的节点，会直接与存储节点进行连接）。然后，你可以信任正在与之通信的对等方的身份，并且没有第三方可以读取对话或在进行中对其进行更改。

1.5.4 对等点身份

PeerIdentity（通常写成PeerId）是对点网络上特定对等点的唯一引用。每个Libp2p对等点都有一个私钥，它对所有其他对等点保密，以及一个相应的公钥（PeerID就是对节点公钥进行哈希加密的结果），与其他对等点共享。

1.5.5 对等点路由

对等路由是利用其他对等节点的知识发现对等地址的过程。在一个对等路由系统中，一个对等点可以给我们提供我们需要的地址（如果他们有的话），或者将我们的查询发送给另一个更有可能得到答案的对等点。

1.6 bitswap

bitswap的主要功能是利用信用机制在节点之间进行数据交换（信用机制就是能够激励节点去分享数据，即使这个节点暂时没有数据的需求），不局限于一个种子文件中的数据块。bitswap协议中存在一个数据交换市场，这个市场包括各个节点想要获取的所有块数据，这些块的数据可能来自文件系统中完全不相关的文件，同时这个市场是由IPFS网络中所有节点组成的（市场就是所有的文件。节点存储文件、传输文件，共同维护文件）。