IPFS简介

本篇文章主要想通过纯理论的方式分析IPFS的原理，尽量不使用命令和代码。关于IPFS的诞生以及取代HTTP的可能性分析，已经有太多大神写过文章了，这里就不再赘述了。感兴趣的前往这里了解 http://ipfser.org、以及IPFS白皮书。

一、 什么是IPFS

IPFS, 星际文件系统 ( InterPlanetary File System )。2014年开始由Protocol Labs （协议实验室）在开源社区的帮助下发展。其最初由Juan Benet设计。是一个旨在创建持久且分布式存储和共享文件的网络传输协议。
是永久的、去中心化保存和共享文件的方法，这是一种内容可寻址、版本化、点对点超媒体的分布式协议。^[1]

• 内容可寻址：通过文件内容生成唯一哈希值来标识文件，而不是通过文件保存位置来标识。相同内容的文件在系统中只会存在一份，节约存储空间

• 版本化：可追溯文件修改历史

• 点对点超媒体：P2P 保存各种各样类型的数据

可以把 IPFS 想象成所有文件数据是在同一个 BitTorrent 群并且通过同一个 Git 仓库存取。

二、 IPFS的存储与读取

接下来先基础地介绍下IPFS是怎么进行存储和读取的。IPFS文件的存储和读取与BitTorrent上传下载原理相似。
IPFS采用的索引结构是DHT（分布式哈希表），数据结构是Merkle DAG（Merkle 有向无环图）。

2.1 单文件存储

研究过文件系统的人都知道索引和扇区这两个概念，如：NTFS一个扇区通常是4K，真正的文件数据都是保存在扇区里面的，找到这些扇区的方式就是建立索引（确切的说是高效的索引），IPFS也是一个文件系统，不同的是，IPFS是没有存储上限的，且不存在空间回收的功能。IPFS存储文件时，如图(没天赋，略丑)，会经历以下几个步骤：

IPFS文件切割过程

1. 把单个文件拆分成若干个256KB大小的块（ block，这个就可以理解成扇区 ）；
2. 逐块(block)计算block hash，hash_n = hash ( block_n )；
3. 把所有的block hash拼凑成一个数组，再计算一次hash，便得到了文件最终的hash，hash ( file ) = hash ( hash_1……n )，并将这个 hash（file） 和block hash数组“捆绑”起来，组成一个对象，把这个对象当做一个索引结构；
4. 把block、索引结构全部上传给IPFS节点（这里先不介绍细节），文件便同步到了IPFS网络了；
5. 把 Hash（file）打印出来，读的时候用；

PS: 这里可以看出IPFS计算文件得到的hash，其实和我们平时计算hash的方式不一样，而且最终的结果也不一样！
这里还漏掉了一个小文件的处理逻辑，和NTFS等文件系统类似，小文件（小于 1KB） 的文件，IPFS会把数据内容直接和Hash（索引）放在一起上传给IPFS节点，不会再额外的占用一个block的大小。

现在，已经把文件的原始数据和文件的索引（即hash）上传到IPFS网络了。前面已经讲过，IPFS是不支持空间回收的，文件一旦同步到IPFS，将永久的存在。看起来这样会招来一个严重的后果就是，如果频繁的编辑大文件，每编辑一次就要重新同步，岂不是会过度浪费空间！？举个例子：

本地有一个1G的大文件File1，已经同步到IPFS了，后面在这个文件File1后面追加了1K的内容，现在需要重新同步这个文件，算下来需要花费的空间应该是：1G+1G+1K；

然而，事实并非如此。IPFS在储存数据的时候，同一份数据只存储一次，文件是分块（block）存储的，hash相同的block，只会存储一次，也就说，前面1G的内容没有发生改变，其实IPFS并不会为这些数据分配新的空间，只会为最后1K的数据分配一个新的block，再重新上传hash，实际占用的空间是： 1G + 1K ;

不同的文件有很多数据是存在重复的，如不同语言字幕的电影，影音部分相同的，只有字幕部分不一样，当两个不同国家的人都在上传同一部电影的时候，这些文件在分块（block）的时候，很有可能有大部分block的hash是一致的，这些block在IPFS上也只会存储一份，这样一来就可能会有很多文件的索引指向同一个block，这里就构成了前面提到的一个数据结构——Merkle DAG（Merkle 有向无环图）。下面盗个图，形象的说明下DAG是个什么东东。

image

因为所有的索引上都保存了hash，所以Merkle DAG具有以下特点（从白皮书上扒下来的）：

1. 内容可寻址：所有内容都是被多重hash校验和来唯一识别的，包括links。
2. 无法篡改：所有的内容都用它的校验和来验证。如果数据被篡改或损坏，IPFS会检测到。
3. 重复数据删除：重复内容并只存储一次。

2.2 文件树存储

IPFS支持目录结构，存储目录的方式很简单：

1. 先把目录下所有的文件同步到IPFS网络中去，为所有的文件hash建立一个别名，这个别名其实就是本地文件名，把hash和别名“捆绑”在一起组建成一个名为 IPFSLink 的对象；
2. 把该目录下所有的 IPFSLink 对象组成一个数组，对该数组计算一个目录hash，并将数组和目录hash拼成一个结构体，同步到IPFS网络；
3. 如果上层还有目录结构，则为目录hash建立一个别名（就是目录名），把目录hash和别名“捆绑”在一起组建成一个 IPFSLink 的对象，重复从步骤2开始执行；
4. 把目录hash打印出来，读取的时候用；

由上可以看出，对于IPFS而言，存储目录和文件其实是一样的处理方式，IPFS甚至根本没有关心节点想要存储的是一个目录还是一个文件。

2.3 单文件读取

IPFS取文件的方式，就比较简单了，就是存储方式的一个逆推过程：

1. 根据hash搜索该hash的索引结构，即找到该文件hash 的 block hash数组（这一步由IPFS网络完成，是旷工该干的事情），下载下来；
2. 此时已经得到了 block 的索引，根据block hash，搜索block所在的节点位置，下载下来；
3. 本地拼装block：根据block hash数组的顺序，把文件拼凑好。

block的下载是IPFS的核心，这中间涉及到很多复杂的技术细节，因为个人能力有限，这里没有展开讨论，只是先一笔带过。希望不会误导新入门的读者，以为IPFS就只干了这么点事情！

2.4 文件树读取

目录的读取也是目录存储过程的逆推：

1. 根据hash搜索该hash的索引结构，找到该目录的 IPFSLink 对象数组，即目录下的子列表；
2. 遍历数组，如果IPFSLink对象是文件，则取出文件的hash下载该文件；
3. 如果IPFSLink对象是目录，取出目录hash，重新从步骤1开始执行；

三、 IPFS的未来

总的来说，IPFS具备很多良好的特性，如：自带高可用属性，不会宕机（除非全球停电或者断网）、抗DOS、防篡改……不需要购买昂贵的防火墙设备来做这些事情。其他的优点请自行去 ipfser.org get!

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1. http://ipfser.org/2017/12/06/a4/ ↩