LOCK:深度解析IPFS怎样实现文件存储_BLOCKS

概述

IPFS-InterPlanetaryFileSystem星际文件系统，是一个点对点的分布式文件存储系统，IPFS的愿景是构建一个全世界的分布式网络，用来替代传统中心化的服务器模式，所有的IPFS节点组成一个分布式网络，每个节点都可以存储文件，用户可以从IPFS构建的网络中以DHT(DistributedHashTable，分布式哈希表)的方式获取文件，从而实现了新一代的完全去中心化的网络，旨在取代现有的万维网。IPFS功能很丰富，包括DHT组网，文件存储，Bitswap文件交换等功能。本文主要介绍IPFS的文件存储原理，文件上传到IPFS节点存储时，节点会将文件分块后进行存储，每个文件以MerkleDAG的格式组织，而MerkleDAG的根哈希则用来表示该文件。本文将对IPFS存储进行详解，所述的IPFS的版本为v0.6.0。

CID

在介绍IPFS存储文件的远离之前，先介绍一个重要的标识——CID，CID是IPFS中用来表示内容的标识，可以用来表示一个文件，也可以用来表示一个文件块。如下所示，CID是一个字符串，它主要由Version、Codec和Multihash三部分构成，Version目前分为v0和v1版本，v0版本的CID可以由V0Builder生成，v0版本的CID以Qm字符串开头，v1版本的CID可以由V1Builder生成，v1版本的CID主要包含三个部分Codec，MhType和MhLength，其中Codec是表示内容的编码类型，例如DagProtobuf，DagCBOR等，MhType是哈希算法，例如SHA2_256(默认的哈希算法)，SHA2_512，SHA3_256，SHA3_512等等，MhLength是生成哈希的长度，默认用-1表示根据哈希算法确定长度。

最高人民法院：积极推进区块链等现代科技在司法领域的深度应用:金色财经报道，最高人民法院近日正式发布《最高人民法院关于加强新时代知识产权审判工作为知识产权强国建设提供有力司法服务和保障的意见》，《意见》指出积极推进区块链等现代科技在司法领域的深度应用。[2021/11/1 6:23:59]

IPFS组件介绍

IPFS用IpfsNode表示IPFS的节点，存储相关组件的如下所示：

这些组件的关系如下图所示，最上层是DAGService，它组合了BlockService组件，而BlockService组合了GCBlockstore组件，然后GCBlockstroe包含BaseBlocks和GCLocker两个组件，最后BaseBlocks组合了最原始的blockstore组件。

接下来分别介绍这些组件的功能:

Pinning：固定CID的管理器，主要负责将文件或者文件块的CID固定，固定CID的块不会被GC掉。上传的文件最后的文件的CID都会被固定住，防止被GC。

全量深度图：BitMEX在“11400-11800美元”区间订单密布:AICoin PRO版K线全量深度图显示：BitMEX XBT永续合约在“11400-11800美元”区间的订单密布，总量超过1.28亿张。另据主力大单跟踪显示，该区间大额委托单也较多，当前一共有9笔，总额超过3800万美元大额委托买单在挂。请密切留意行情变化。[2020/8/17]

Blockstore：GCBlockstore类型，组合Blockstore和GCLocker两个组件。

BaseBlocks：原始的blockstore，提供了对Block的Get/Put/Has/DeleteBlock等操作。

GCLocker：用来锁住blockstore，保护blockstore防止被GC影响。

Blocks：提供Block的服务，组合Blockstore组件，提供了GetBlock/GetBlocks、AddBlock/AddBlocks、DeleteBlock等操作。

声音 | 北京青年报：推进区块链与司法工作深度融合是大势所趋:10月31日，北京青年报发表文章《推进区块链与司法工作深度融合是大势所趋》。文章指出，总书记指出：“区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用。”推进区块链等现代科技与司法工作深度融合，既是一种大势所趋的行动，更是一场观念上的革命。相信各地各级法院一定会进一步增强司法区块链建设的使命感、责任感、紧迫感，完善制度设计，加大人力、物力投入，加快司法区块链建设进程，让科学技术繁荣发展的机遇和成果更好地为司法的文明进步提供助攻，为推进国家治理体系和治理能力现代化提供坚实保障。[2019/10/31]

DAG：IPFS的默克尔DAG的服务，组合BlockService组件，提供Get/GetMany，Add/AddMany，Remove/RemoveMany等操作。

文件存储流程

文件上传时将文件添加到IPFS的仓库中，上传的流程可以如下图所示，生成默克尔DAG的结构，生成的结构有两种Layout：balanced和trickle的。这里介绍默认的balanced结构，首先生成root作为根节点，然后将文件分割，默认按照256KB大小读取一个chunk，生成叶子节点，依次生成node1，node2，root节点会有Link指向挂在root节点的叶子节点node1和node2。root节点下面能够Link的叶子节点数量是有限的，IPFS中默认设置的是174个。

声音 | 鲁春丛：推动区块链的创新技术在标识解析中深度应用:据中国信通院官网，8月15日，在中国工业互联网标识大会上，工业和信息化部信息通信管理局副局长鲁春丛演讲表示，大力推进标识解析技术，标准研制，搭建规模性基础技术创新以实验的环境，联合产学研用各方面力量，促进新型标识体系的研制，推动区块链的创新技术在标识解析中深度应用。据介绍，标识解析体系是工业互联网的核心基础设施，是新一代互联网的“中枢神经”。[2019/8/18]

如下图所示，超过174个后则会新创建一个newroot节点，并Link到oldroot，新的chunk作为node3被newroot直接Link。

当继续有新的chunk添加时，则会生成node34作为node3和node4的父节点，node34含有两个Link分别链接到node3和node4。

IPFS在init的时候会生成.ipfs目录，如下图所示，其中blocks则为文件块存储的目录，datastore为leveldb数据库，其中存储了文件系统的根哈希等，存储相关的配置关联在.ipfs目录下面的config文件。

声音 | 人民法院报：区块链等固证存证手段在司法领域深度运用:今日，人民法院报刊文指出，智慧法院建设给司法带来深刻变化。如互联网诉讼平台建设，包括在线诉讼的当事人身份认证、在线立案、在线庭审、电子证据认证、电子送达、电子签名、电子笔录、电子档案等，其中运用可信时间戳、哈希值校验、区块链等固证存证手段都表明了前沿技术在司法领域的深度运用。[2018/11/1]

经过上面的步骤，文件已经切块并转化成MerkleDAG的结构，接下来详细介绍每个块是如何进行存储的流程。

如下图所示，一个Block存储时，首先由dagService调用Add进行添加；之后由blockService调用AddBlock添加该Block；再调用arccache的Put，arccache是对存储的Block做arc策略的缓存；再之后由VerifBS调用Put进行存储，VerifyBS主要对CID的合法性进行校验，合法则进行Put；接着blockstore调用Put进行存储，Put函数中会对CID进行转化，调用dshelp的CidToDsKey方法将CID转化成存储的Key；再接着调用keytransform.Datastore的Put，Put函数中会将前缀拼上，这时Key加上了前缀/blocks；然后调用measure的Put函数，measure是对mount的封装；之后调用mount的Put函数，mount和IPFS的config配置文件中结构对应，根据key去查找对应的datastore，由于前缀是/blocks则可以找到对应的measure；调用该measure的Put函数；最后调用flatfs的Put函数，由Put函数调用doPut最终调用encode函数将完整的block写入的目录指定为/home/test/.ipfs/blocks/WD，其中WD来自于blocks/CIQFSQATUBIEIFDECKTNGHOKPOEE7WUPM5NNNSJCCDROMM6YHEKTWDY中的倒数第三第二个字符。这样该Block则写入了该目录下面的文件中。

总结

IPFS文件存储格式为默克尔DAG格式，每一层Links大小为174个，超过了则会重新调整。文件存储过程中有多个Datastore进行了组合和封装，每个Datastore功能比较单一，例如arccache只做Block的缓存，VerifBS只做CID的校验，这样做的好处是每个组件功能明确，不好的地方在于组合太多，调用深度太深，加上内部都是用interface，好几个组件都实现了该interface，不便于阅读。

IPFS的存储模式面向互联网用户而设计，因为它的开放性，允许所有节点随意接入，已接入IPFS网络的节点可以自由查找内容，不适合直接用来作为企业的文件存储服务。但其分布式存储的特点，很容易进行存储的动态扩容，可以通过结合节点认证机制和DHT查找内容的剥离，为企业的分布式存储系统，另外配合区块链技术，通过链上链下协同技术，很容易地解决链上存储容量不足的问题。

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