12.03 从技术讲透IPFS协议栈以及身份层、网络层、路由层技术頭條網

与HTTP类似，IPFS是基于TCP/IP的应用层协议，同时作为一个分布式的文件系统，IPFS提供了一个支持部署和写入的平台，同时能够支持大文件的分发和版本管理。IPFS协议栈由七层负责不同功能的子协议构成：

身份层：管理节点身份生成和验证。
网络层：管理与其他对等体的连接，使用各种底层网络协议。
路由层：维护信息以定位特定的对等体和对象。响应本地和远程查询。默认为DHT，但可更换。
交换层：一种支持有效块分配的新型块交换协议（BitSwap），模拟可信市场，弱化数据复制，防作弊。
对象层：具有链接的内容寻址不可更改对象的Merkle DAG，用于表示任意数据结构，例如文件层次和通信系统。
文件层：由Git启发的版本化文件系统层次结构。
命名层：自我认证的可变名称系统。

1、身份层（Identity）

所有节点在IPFS网络中都要一个唯一的NodeId进行标识，其实就是一个公钥的哈希，然而为了增加攻击者的成本，IPFS使用了S/Kademlia中提到的算法增加创建新身份的成本，源码如下：

difficulty = <integer>
n = Node{}
do {
 n.PubKey,n.PrivKey = PKI.genKeyPair()
 n.NodeId = hash(n.PubKey)
 p = count_preceding_zero_bits(hash(n.NodeId))
} while (p<difficulty>/<integer>

S/K要求每个节点在接入网络前必须解决两个密码学问题。静态问题是：产生一对公钥和私钥，公钥两次哈希运算后，具有C1个前导零。公钥的一次哈希值就是节点的NodeID。动态问题是：不断生成一个随机数X，将X与NodeID求XOR再求哈希，哈希值要求C2个前导零。这样设计，第一个静态问题，保证节点不能再自由选择节点ID，后一个动态问题，提高了大量生成ID的成本。女巫攻击和日蚀攻击将难以进行。

每一个节点在IPFS网络中由Node结构体来表示，其中只包含NodeId以及一个公私钥对：

type NodeId Multihash
type Multihash []byte //子描述加密哈希摘要
type PublicKey []byte
type PrivateKey []byte // 子描述的私钥
type Node struct {
 NodeId NodeID
 PubKey PublicKey
 PriKey PrivateKey
}

身份系统的主要作用是标识IPFS网络中的每一个节点，有点像用户信息的生成。在节点建立首次连接时，对等节点将交换公钥，并检查hash（other.PublicKey）是否等于other.NodeId，相当于校验用户信息，如果校验结果不相等，则用户信息不匹配，节点连接立即终止。

IPFS的哈希算法比较灵活，支持根据输入自定义值来调整，默认以Multihash格式存储，源码定义如下：

<function><digest><digest>
/<digest>/<digest>/<function>

这种加密方式有两个优势：

根据需求选择最佳功能用例。在更强的安全性和更快的性能之间做一个平衡取舍。
随着功能的变化而演变，自定义值可以兼容不同场景下的参数选择。

2、网络层（Network）

IPFS节点与其他节点连接通信的时候，会跨越广域网，IPFS网络堆栈的特点如下：

1.传输：IPFS兼容现有的主流传输协议，其中最适合浏览器端使用的WebRTC Data Channels，低延时uTP（LEDBAT）传输协议等。
2.可靠性：使用uTP和sctp来保障，这两种协议可以动态调整网络状态。
3.可连接性：使用ICE等NAT穿越技术来实现广域网的可连接性。
4.完整性：使用哈希校验检查数据完整性，IPFS中所有数据块都有唯一的Hash。
5.可验证性：使用数据发送者的公钥以及HMAC消息认证码来检查消息的真实性。

WebRTC（Web browser Real Time Conmunication）网页实时通信技术，适用于网页间音视频实时通信，点对点数据共享。免费开源的WebRTC内置于浏览器中，用户不需要使用任何插件或者软件通过浏览器实现实时通信。

如需更多对WebRTC的连接，查看如下网页：详解WebRTC——网页实时通信技术

LEDBAT(Low Extra Delay Background Transport)是一种在不阻塞网络的情况下快速传输数据的方法。LEDBAT是一种基于延迟的拥塞控制算法，它使用所有可用的带宽，同时限制延迟的增加。它通过测量单向延迟和使用测量的变化来限制LEDBAT流本身在网络中引发的拥塞。

IPFS可以使用任意的网络进行通信，并没有完全依赖于IP层，IPFS是通过multiaddr的格式来表示目标地址和使用的协议，以此来兼容和扩展未来可能出现的其他网络协议：

# an SCTP/IPv4 connection
/ip4/10.20.30.40/sctp/1234/
# an SCTP/IPv4 connection proxied over TCP/IPv4
/ip4/5.6.7.8/tcp/5678/ip4/1.2.3.4/sctp/1234/

这也意味着IPFS的网络通信模型是遵循覆盖网络（Overlay Network）的理念设计的，下面的模型图说明IPFS的网络架构模型是叠加的虚拟化技术模式，建立在已有网络的虚拟网，用逻辑节点和逻辑链路构成。多个容器在跨主机通信的时候，使用Overlay Network这个网络模式，会虚拟出一个网络比如10.0.9.3这个IP地址，一个类似服务网关的地址，然后把数据包转发到Host物理服务器地址，最终通过路由和交换，达到另一个Host服务器的IP地址。

三、路由层（Routing）

IPFS节点需要一个路由系统，可用于查找：

同伴节点的网络地址。
服务特定对象的对等节点。

IPFS路由层数据结构使用的是S/Kademlia和Coral技术的分布式松散哈希表（DSHT），IPFS的DSHT结构会根据所存数据的大小值进行区分：小的值（等于或小于1KB）直接存储在DHT上，更大的值，DHT只存储值索引，这个索引就是一个对等节点的NodeId，该对等节点可以提供对该类型值的具体服务，DSHT的接口位于libP2P模块中，如下：

type IpfsRouting interface {
 ConnectRouting //内容路由
 PeerRouting //节点路由：获取特定NodeId的网络地址
 ValueStore //数据操作：对DHT中的元数据进行操作
 Bootstrap(context.Context) error
}

type ConnectRouting interface {
 Provide(context.Context,*cid.Cid,bool) error
 FindProvidersAsync(context.Context,*cid.Cid,int) }
type PeerRouting interface{
 FindPeer(context.Context,peer.ID)(pstore.PeerInfo,error) 

}
type ValueStore interface {
 PutValue(context.Context,string,[]byte) error
 GetValue(context.Context,string) ([]byte,error)
 GetValues(c context.Context,k string,count int) ([]RecvdVal,error)
}