IPFS七层协议栈之交换层

交换层（Exchange）

  IPFS中BitSwap协议旨在通过对等节点间交换数据块来分发数据，受到BitTorrent技术的启发，每个对等节点在下载的同时不断向其他对等节点上传已下载的数据。和BitTorrent协议不同的是，BitSwap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。这样的数据市场很需要创造加密数字货币来实现可信价值交换，也就是得有激励层Filecoin。

BitSwap协议

  在IPFS中，数据的分发和交换使用BitSwap协议，BitSwap协议主要负责两件事：向其他节点请求需要的数据块列表（need_list）以及为其他节点提供已有的数据块列表（have_list），源码结构如下：

type BitSwap struct {
    ledgers map[NodeId]Ledger   //节点账单
    active map[NodeId]Peer      //当前已经连接的对等点
    need_list []Multihash       //此节点需要的块数据校验列表
    have_list []Multihash       //此节点已收到块数据校验列表
}

当节点需要向其他节点请求数据块或者为其他节点提供数据块时，都会发送BitSwap message消息，其中主要包含了两部分内容：想要的数据块列表（want_list）以及对应数据块，整个消息都会使用Protobuf进行编码：

message Message {
    message Wantlist {
        message Entry {
            optional string block = 1;
            optional int32 priority = 2;    //设置优先级，默认为1
            optional bool cancel = 3;       //是否会撤销条目
        }
        repeated Entry entries = 1;
        optional bool full = 2;
    }
    optional Wantlist wantlist = 1;
    repeated bytes blocks = 2;
}

在BitSwap系统中，有两个非常重要的模块需求管理器（Want-Manager）和决定引擎（Decision-Engine）：前者会在节点请求数据时在本地返回相应的结果或发出合适的请求，而后者决定如何为其他节点分配资源，当节点接收到包含want_list的消息时，消息会被转发到决定引擎，引擎会根据该节点的BitSwap账单决定如何处理请求，整个处理流程如下图：

BitSwap协议流程

通过上面的协议流程图，可以看到一次BitSwap数据交换的全过程以及对等连接这块的生命周期，在这个生命周期中，对等节点一般要经历四个状态：

• 状态开放（Open）：对等节点间开放待发送BitSwap账单状态，直到建立连接。
• 数据发送（Sending）：对等节点间发送want_list和数据块。
• 连接关闭（Close）：对等节点发送完数据后断开连接。
• 节点忽略（Ignored）：对等节点因为超时、自动以、信用分过低等因素被忽略。

结合对等节点的源码结构，分析一下IPFS节点是如何找到彼此的：

type Peer struct {
    nodeid NodeIs
    ledger Ledger           //节点和此对等节点之间的分类账单
    last_seen Timestamp     //最后收到消息的时间戳
    want_list []Multihash   //需要的所有块校验
}
// 协议接口
interface Peer {
    open (nodeid:NodeId,ledger:Ledger);
    send_want_list(want_list:WantList);
    send_block(block:Block) -> (complete:Bool);
    close(final:Bool);
}

Peer.open(NodeID,Ledger)

  当节点建立连接时，发送方节点会初始化BitSwap账单，可能保存一份对等方的账单，也可能将创建一个新的被清零账单，这取决于节点账单一致性问题。之后，发送方节点将发送一个携带账单的open信息通知接收方节点，接收方节点收到一个open信息后，可以选择是否接受此连接请求。

  如接收方根据本地的账单数据，发现发送方是一个不可信的节点，即传输超时，很低信用分，很大的债务率，接收方可能会通过ignore_cooldown忽略这个请求，断开连接，目的是为了防范作弊行为。

  如果连接成功，接收方将利用本地账单来初始化一个Peer对象并更新last_seen时间戳，然后，它会将接收到的账单与自己的账单进行比较。如果两个账单完全一样，那么这个连接就被Open，如果账单不完全一致，那么此节点会创建一个新的被清零的账单并发送同步此账单，以此保证之前提到的发送方节点和接收方节点的账单一致性问题。

Peer.send_want_list(WantList)

  当连接已经处于open状态，发送方节点将会把want_list广播给所有连接的接收方节点。与此同时，接收方节点在收到一个want_list后，会检查自身是否有接收方想要的数据块，如果有，会使用BitSwap策略来发送传输这些数据块。

Peer.send_block(Block)

  发送块的方法逻辑很简单，默认发送方节点只传输数据块，接收到所有数据后，接收方节点计算Multihash以校验它是否与预期的匹配，然后返回确认。在完成块的传输后，接收方节点将数据块信息从need_list移到have_list，并且接收方和发送方都同步更新他们的账单列表。如果传输验证失败，则发送方可能发生故障或者故意攻击接收方的行为，接收方可以拒绝进一步的交易。

Peer.close(Bool)

  对等连接应该在两种情况下关闭:

• silent_want超时已过，但未收到来自对方的任何消息，节点发出Peer.close(false)。
• 节点正在退出，BitSwap正在关闭，在这种情况下，节点发出Peer.close(true)。

对于P2P网络，有一个很重要的问题：如何激励大家分享自己的数据，每一个P2P软件都有自己专属的数据分享策略，IPFS也是如此，其中BitSwap的策略体系由信用、策略、账单三部分组成。

BitSwap信用体系

  BitSwap协议必须能激励节点去分享数据，IPFS根据节点之间的数据收发建立了一个信用体系：有借有还，再借不难。

• 发送给其他节点数据可以增加信用值。
• 从其他节点接收数据将降低信用值。

如果一个节点只接收数据不上传数据，信用值会降低而被其他节点忽略掉。这能有效防范一些类似女巫攻击，洪泛攻击的网络攻击。

BitSwap策略

  有了BitSwap信用体系，还可以采取不同的策略来实现，每一种策略都会对系统的整体性能产生不同的影响，策略的目标是：

• 节点数据交换的整体性能和效率最高。
• 阻止空载节点“吃白食”现象，即不能够只下载不上传数据。
• 有效防止一些攻击行为。
• 对信任节点建立宽松机制。

IPFS在白皮书里提供了一些参考的策略机制，每个节点根据和其他节点的收发数据，计算信用分和负债率（debt ratio,r）:

r = bytes_sent / bytes_recv +1

数据发送率（P）:

P(send|r) = 1 - (1/(1+exp(6-3r)))

根据上面共识，如果r大于2时，发送率P(send|r)将变得很小，从而其他节点将不会继续发送数据给自己。

BitSwap账单

  BitSwap节点记录下来和其他节点通信的账单（数据收发记录），账单数据结构如下：

type Ledger struct {
    Owner NodeId
    partner NodeId
    bytes_sent int
    bytes_recv int
    timestamp Timestamp
}

这可以让节点追踪历史记录以避免被篡改。当两个节点之间建立连接的时候，BitSwap会相互交换账单信息，如果账单不匹配，则直接清楚并重新记账，恶意节点会有意失去这些账单，从而期望清除自己的债务。其他节点会把这些都记录下来，如果总是发生，伙伴节点可以自由的将其视为不当行为，拒绝交易。

文章借鉴《IPFS与区块链：原理与实战》推荐大家购买正版书籍。