[上級小規模教室] IPFS の関係系譜、技術アーキテクチャ、動作原理

前回の[アドバンスミニクラス]では、HTTPプロトコルによって構築された現在のインターネットの多くの欠点を分析し、IPFSの基本概念とIPFSが次世代のインターネットを構築する仕組みを紹介しました。下の画像をクリックしてご覧ください。今日は、IPFS の関係系譜と技術アーキテクチャについてお話しします。

IPFS関係マップ

IPFSは、2014年5月にJuan Benet氏によって立ち上げられました。 2015年には、同氏が立ち上げたプロジェクト「IPFS」がY Combinatorのスタートアップインキュベーションコンペティションで優勝し、エンジェル投資を受け、Protocol Labも設立しました。

IPFS は本質的に、コンテンツアドレス指定可能でバージョン管理された、ピアツーピアのハイパーメディア分散ストレージおよび転送プロトコルです。その目標は、過去 20 年間使用されてきたハイパーテキストメディア転送プロトコル(HTTP)を補完、あるいは置き換え、より高速で安全かつ自由なインターネット時代を構築することです。

IPFS を開発する際、Protocol Labs チームは高度にモジュール化された統合アプローチを採用し、プロジェクト全体をビルディングブロックのように開発しました。その中で、IPLD、LibP2P、および Multiformats モジュールは、基盤となる IPFS レイヤーとして機能します。 Filecoin は IPFS のインセンティブレイヤーであり、IPFS アプリケーションのデータに価値をもたらします。

Mutiformats は、ハッシュ暗号化アルゴリズムと自己記述方式のコレクションです。 SHA1\SHA256\SHA512\Blake3B などの 6 つの主流の暗号化方式があり、ノード ID とフィンガープリントデータの生成を暗号化して記述するために使用されます。既存のプロトコルに基づいて値に対して自己記述変換を実行します。つまり、値からそれがどのように生成されたかを知ることができます。

libP2P は IPFS の中核です。さまざまなトランスポート層プロトコルと複雑なネットワークデバイスに直面しても、開発者は高速かつコスト効率に優れた、使用可能な P2P ネットワーク層を迅速に確立できます。 libp2p の主な機能には、ノードの検出、ノードの接続、データの検出、データの送信などがあります。これは、何千ものノードを接続する、現実世界の宅配会社に似ています。データの配布に加えて、データの検索も担当します。

IPLD は、既存の異種データ構造を 1 つの形式に統合し、異なるシステム間でのデータ交換と相互運用性を容易にする変換ミドルウェアです。 IPLD は現在、BTC、ETH、EOS などの主流のパブリックチェーンのブロックデータをサポートしています。 IPLD ミドルウェアは、さまざまなブロック構造を 1 つの伝送標準に統合できるため、開発者はパフォーマンス、安定性、バグについて心配することなく、比較的高い成功基準を実現できます。これは、IPFS が多くのブロックチェーンプロジェクトで人気がある重要な理由でもあります。

IPFS はこれらのモジュールの機能を適用し、独立したノード上で実行され、Web サービスの形式で誰でもアクセスできるコンテナ化されたアプリケーションに統合します。

IPFS はオープンソースプロトコルであるため、誰でもさまざまな開発に IPFS を無料で使用できます。現在、IPFS ネットワーク内のノード数は十分ではなく、ネットワークは十分に安定していません。 IPFS を迅速に普及および促進するために、Protocol Labs は IPFS ネットワークに基づいて Filecoin ブロックチェーンプロジェクトを作成し、IPFS ノードに参加してデータを保存するマイナーにインセンティブを与えました。 Filecoin はこれらのアプリケーションのデータを価値あるものにし、ビットコインに似たインセンティブポリシーと経済モデルを通じて、より多くの人々がノードを作成し、IPFS を使用するように促します。

Filecoin は IPFS の経済的インセンティブシステムであり、IPFS の価値移転を担い、IPFS エコシステムの発展を維持します。

IPFSの技術的アーキテクチャ

IPFS には、低レベルから高レベルまで、ID、ネットワーク、ルーティング、交換、オブジェクト、ファイル、命名、アプリケーションの 8 つのサブプロトコルスタックがあります。各プロトコルスタックには独自の機能があり、互いに補完し合います。

アイデンティティとルーティング層

アイデンティティ層とルーティング層は一緒に説明できます。ピアノード ID 情報とルーティングルールの生成は、Kademlia プロトコルを通じて生成および策定されます。 KAD プロトコルは基本的に分散ルーズハッシュテーブル (DHT) を構築します。 DHT ネットワークに参加するすべてのユーザーは、独自の ID 情報を生成し、この ID 情報を使用してネットワーク内のリソース情報と他のメンバーの連絡先情報を保存する必要があります。

WeChat 名刺を共有するのと同じように、誰かを探したいのに WeChat ID を直接検索できない場合は、その人の連絡先情報を持っている友人と名刺を共有することで連絡を取ることができます。

ネットワーク層

ネットワーク層は IPFS テクノロジーの中核層であり、使用される lib2p は任意のトランスポート層プロトコルをサポートできます。 ICE NAT トラバーサルフレームワークは、STUN、TURN、およびその他のタイプの NAT プロトコルを統合します。このフレームワークにより、クライアントはさまざまな NAT 方式を使用してネットワークを開き、NAT 通信を完了することができます。これは、IPFS の p2p ネットワークにとって非常に重要です。

交換レイヤー

交換レイヤーは、Xunlei や eDonkey などの BT ツールに似ています。 IPFS チームは BitTorrent を革新し、それを Bitswap と名付けました。ノードの共有を促すために、クレジットと課金のシステムを追加しました。ユーザーは、他のノードにデータを送信することでクレジット値を増やすことができ、他のノードからデータを受信することでクレジット値を減らすことができます。ユーザーがデータを受信するだけで共有しない場合、そのユーザーのクレジットスコアはどんどん低くなり、他のノードから無視されることになります。

オブジェクト層とファイル層

オブジェクト層とファイル層も一緒に議論することができ、これらは IPFS 上のデータ構造の 80% を共同で管理します。ほとんどのデータオブジェクトは、コンテンツのアドレス指定とデータの重複排除を容易にする Merkle DAG の形式で存在します。ファイルレイヤーは、DAG と並行した新しいデータ構造であり、Git と同じデータ構造を使用してバージョンスナップショットをサポートします。

レイヤーの命名

自己検証機能（他のユーザーがオブジェクトを取得する際に、フィンガープリント公開鍵を使用して署名検証を行う、つまり、使用した公開鍵がNodeIdと一致するかどうかを検証することで、ユーザーが公開したオブジェクトの真正性を検証し、変更可能な状態も取得する）を備えており、暗号化されたDAGオブジェクト名を定義可能にして可読性を高めるIPNSの独創的な設計が追加されています。

アプリケーション層

IPFS の核となる価値は、その上で実行されるアプリケーションにあります。CDN のような機能を活用して、非常に低い帯域幅コストで必要なデータを取得できるため、アプリケーション全体の効率が向上します。

IPFSはどのように機能しますか?

IPFS はファイルの内容に基づいてアドレス指定します。 IPFS は各ファイルに一意のハッシュ値（ファイルフィンガープリント：ファイルの内容に基づいて作成される）を割り当てます。 2 つのファイルの内容が 1 ビットだけ異なる場合でも、ハッシュ値は異なります。したがって、IPFS は、ドメイン名に基づいてファイルをアドレス指定する従来の HTTP プロトコルとは異なり、ファイルの内容に基づいてファイルをアドレス指定します。

IPFS は、ファイルのファイルバージョン管理を確立します。 IPFS はネットワーク全体で重複ファイルを削除し、ファイルのバージョン管理を確立します。つまり、各ファイルの変更履歴が記録され、ファイルの履歴バージョンに簡単に戻ってデータを表示できるようになります。

ハッシュ値に基づいてファイルを検索します。ファイルを照会する場合、IPFS ネットワークはファイルのハッシュ値(ネットワーク全体で一意)に基づいて検索します。各ファイルのハッシュ値はネットワーク全体で一意であるため、クエリを簡単に実行できます。各ノードは、必要なデータを保存するだけでなく、ファイルのクエリとダウンロードに使用されるファイルストレージの場所を記録するハッシュテーブルも保存します。

IPNS 。 IPNS を使用すると、ユーザーは秘密鍵を使用して IPFS ハッシュへの参照を添付し、公開鍵ハッシュを使用して Web サイトが最新バージョンであることを示すことができます。ビットコインを使用したことがある人なら、このことはよくご存知かもしれません。ビットコインアドレスも公開鍵です。リンクが機能しない場合でも心配しないでください。公開鍵の内容は変更できますが、公開鍵は常に同じままです。このようにして、Web サイトの更新の問題が解決されます。次に、これらの Web サイトの場所が人間が判読できることを確認するだけで、準備は完了です。

人間が判読可能な変数アドレス。 IPFS/IPNS ハッシュは大きくて見苦しい文字列であり、覚えるのが容易ではありません。そのため、IPFS では、ユーザーは既存のドメインネームシステム (DNS) を使用して、IPFS/IPNS コンテンツへの人間が判読できるリンクを提供できます。ユーザーは、ドメインネームサーバーの TXT レコードにハッシュを挿入することでこれを実行できます。

IPFS HTTP ゲートウェイは、新しいネットワークと古いネットワーク間のブリッジです。 IPFS は HTTP ゲートウェイを介して HTTP から IPFS への移行を実現できるため、ブラウザーが IPFS を完全にサポートする前に、現在の Web ブラウザーから IPFS にアクセスできるようになります。ユーザーはまもなく IPFS に切り替えて、Web ネットワークのストレージ、配信、サービスを完了できるようになります。

IPFS プロトコルはオープンソースであり、あらゆるチームや個人が無料でデータを保存およびダウンロードできるようにします。より多くのノード参加者が自分のコンピューターのハードドライブを使用して他の人のデータを保存するようになるには、IPFS を普及させ、迅速に開発するにはどうすればよいでしょうか。これには、IPFS のインセンティブレイヤーである Filecoin が必要です。

次回の【アドバンスミニクラス】では、Filecoinとは何か、FilecoinとIPFSの関係性などについて詳しく解説していきますので、どうぞお楽しみに。

IPFS と Filecoin の詳細情報、および Filecoin マイニングに参加したい友人については、WeChat で Kuangge ( WeChat ID: kuangge2018 ) を追加してください。

<<: 分散ファイルストレージがより良いインターネットに不可欠な理由

>>: IPFS ホワイトペーパー: Web3.0 を構築するための惑星間ファイルシステム!