深入理解 IPFS - 分层架构总览

我们首先从官方文档中一张比较经典的层级架构图开始，右边是 IPFS 的层级图，左边是对应现实网络中的一些实现形式。

   (一) applications 应用层

这个很好理解，就是基于 IPFS 网络开发的应用。我们可以在 awesome 看到一些应用。生态能不能繁荣，肯定是需要开发者参与。

（二） naming 命名

SFS 中文是自我认证文件系统，熟悉其他区块链项目的同学应该很好理解。比如比特币，我们采用非对称加密算法给节点生成了公钥和私钥。通过公钥生成的地址一旦参与转账行为，就会成为比特币网络中一份子，所有节点都知道这个地址。那么怎么证明这个地址是属于你，这就是一个自证明的过程，通过与公钥配对的私钥就可证明所有权。同样对于 IPFS 来说，也采用同样的方式，每个节点的 ID 都是全局唯一的存在，你可以通过 ID 对应的私钥来证明你是这个节点的主人。

举个应用的例子，你有个静态网站想要上传到 IPFS 上，但是网站是需要一直更新内容的，更新后 hash 值变了，在 IPFS 上访问的链接都会变。解决办法是将节点 ID 指向生成的 hash 上。用户访问节点 ID 即可 。

其实不仅仅是文件系统，身份认证（OpenID, OAuth2）可能也会由于区块链的发展出现新的契机。比如 ArcBlock 在推广的 DID。

（三）merkledag

merkledag 是 IPFS 的核心数据结构。比特币中用 merkle tree（默克尔树）快速校验区块数据完整性，使得轻节点钱包无需下载所有交易数据就能校验交易数据。而 merkledag 是一个有向无环图，对象模型和 Git 相似。这部分以后会详细说明。

（四）exchange 块交换

因为 IPFS 是一个全网文件系统，当你上传一个文件的时候，文件会被分割成 block，然后被传输到最近的节点上（XOR）。这样当你再去获取这个文件的时候，节点间就会相互沟通，每个节点都有一个 wantlist 和 havelist，最终找到所有的 block，重新获取到文件。

（五）routing 路由

其实在说到 exchange 的时候，有同学可能发现已经有点熟悉了，这不就是 BitTorrent 么。说的没错，不管是当年的电驴还是现在的迅雷，BT 网络一直很坚挺的存在着。IPFS 的很多设计都是借鉴于它 。说到 BT 的发展，最开始种子是存储到中央 Tracker 服务器上，这样一旦中央服务器挂了，这个种子也就废了，所以发展出了 DHT （分布式哈希表）。节点加入 DHT 网络，所有的资源都通过 hash 来寻址，无需中央节点介入，通过询问自己已知的节点，最终找到目标节点。

对于 IPFS 来说，内容和地址寻址都是同构hash，这样可以避免转换成本。虽然说 routing 的方式不止 DHT 一种，还有 mdns，DHCP。但是作为一个去中心化的项目来说，DHT 是 IPFS 路由必不可少的一项。

（六）network 网络

IPFS 没有创造新的协议来做节点间通信，而是尽可能的兼容现存的所有协议，包括 tcp, http, quic 等等。兼容是通过一个 self-describing 的方式，如 /ip4/7.7.7.7/tcp/6543， 这种风格我们在 IPFS 其他 repos 中也都能看到身影，如 MultiHash, MultiAddress。不得不说，这种 self-describing 的形式在之后的协议升级上会有很大的好处。同样，面对各种网络环境，NAT 穿透也是必备的，IPFS 基于 ICE 框架，支持 TURN 和 STUN。

本文对 IPFS 各层做了简单的介绍，细节我们后续再聊。