テクノロジー | IPFS ネットワークはどのように形成されるのでしょうか?

レビュー

IPFS (InterPlanetary File System) は、ピアツーピアの分散ファイル ストレージ システムです。 IPFS のビジョンは、従来の集中型サーバー モデルに代わる、世界中に分散型ネットワークを構築することです。すべての IPFS ノードは分散ネットワークを形成し、各ノードはファイルを保存できます。ユーザーは、IPFS によって構築されたネットワークから DHT (分散ハッシュテーブル) 形式でファイルを取得できるため、既存の World Wide Web に代わる、完全に分散化された新世代のネットワークを実現できます。 IPFS には、DHT ネットワーキング、ファイル ストレージ、Bitswap ファイル交換などの豊富な機能があります。

ファイルの保存とファイル交換の技術的な詳細については、以前のツイートをご覧ください。今日は、このファイル システムの「基盤」であるネットワーク モジュールについて学習します。

IPFSネットワークの紹介

IPFS はオープンソース プロジェクトです。世界中に分散型ネットワークを構築するという目標を達成するには、まず異なる国や地域のノード間の接続問題を解決する必要があります。

まず、IPFS ネットワークの構成を見てみましょう。下の図に示すように、赤いボックス内の Swarm は IPFS が監視するネットワーク アドレスです。 IPv4 および IPv6 プロトコルをサポートし、デフォルトで QUIC プロトコルをサポートします。

*QUIC プロトコルは、Google によって最初に提案され、インターネット技術タスクフォース (IETF) に提出され、正式なネットワーク仕様になりました。 TCP と比較すると、QUIC ネットワーク伝送プロトコルは伝送速度が速くなります。

IPFS ノードが起動すると、ログが下図のように表示されます。 IPFS ノードが、ローカル、LAN、WAN アドレス、最後に /p2p-circuit アドレスを含む次のネットワーク アドレスを監視していることがわかります。

問題は、なぜこれほど多くのアドレスを監視する必要があるのか​​ということです。

これは、IPFS がオープンソース プロジェクトであるためです。世界中のノードを接続するためには、さまざまなネットワーク状況下でのノード接続の問題を解決する必要があります。

ローカル アドレスをリッスンして、複数の IPFS ノードをローカルで起動し、このアドレスを使用して相互に接続できるようにします。 LAN アドレスをリッスンして、イントラネット内で複数の IPFS ノードを起動し、この LAN アドレスを使用して相互に接続できるようにします。 WAN アドレスをリッスンすることで、パブリック ネットワーク内で複数の IPFS ノードを起動し、この WAN アドレスを使用して相互に接続できるようになります。

上記の方法は、ほとんどのネットワーク状況で IPFS ノードのネットワーク接続の問題を解決します。

両方のノードは同じホスト上にあり、127.0.0.1アドレスで接続されています

同じイントラネット内の2つのノード: LANアドレス経由で接続

両方のノードにパブリックネットワークアドレスがあります。パブリックネットワークアドレス経由で接続します。

イントラネットに1ノード、パブリックネットワークに1ノード: イントラネットノードはパブリックネットワークノードのパブリックネットワークアドレスを介して接続されます。

ここに問題があります。 2 つのノードが 2 つの異なるイントラネット環境にある場合、NAT デバイスの存在により、NAT デバイスは対称になる可能性があります。対称 NAT デバイスは侵入できないため、IPFS は異なるイントラネット環境のノードの接続問題を解決するためのリレー方式を提供します。上記のリスニング/P2P 回線アドレスは、この問題を解決するためのものです。直接接続できない異なるイントラネット環境内の 2 つのノードの場合、リレー ノードを構成することで接続が確立されます。

これまで、IPFS は異なるネットワーク環境のノード間の接続を確立するという問題を解決してきました。次に、IPFS が世界中のさまざまな地域のノードを接続する大規模な分散ノード ネットワークを構築する方法を見てみましょう。

IPFSネットワーク構築

IPFS ネットワーク構築のプロセスは、次の 2 つの段階に分けられます。

▲ ブートストラップ段階

IPFS ノードを起動する前に、そのブートストラップ ノードを構成する必要があります。設定ファイル内の関連する設定を下図に示します。ブートストラップ構成では、IPFS ノードが起動時に接続する必要があるすべてのシード ノードのリストが構成されます。これらのノード アドレス リスト情報はデフォルトです。 IPFS プライベート ネットワークを構築する必要がある場合は、独自のシード ノード リストに変更できます (Qm で始まる文字列は IPFS のノード ID です)。デフォルトで提供されるシード ノードはすべてパブリック ネットワーク アドレスを持つノードです。 IPFS ノードが起動すると、まずシード ノードに接続します。その後、シード ノードを使用して IPFS ネットワーク内のより多くのノードを検出し、それらに接続します。これが DHT ネットワーキング ステージです。

▲ DHTネットワークステージ

IPFS ノードがシード ノードに正常に接続すると、DHT を通じて他のノードを検出します。 DHT の詳しい説明については、こちらの記事「Libp2p における DHT と Bitswap の詳しい説明」を参照してください。

他のノードを見つけたら、それらに接続しようとします。正常に接続されたノードは、このノードのノード リストに追加され、将来このノードと直接通信できるようになります。世界中の IPFS ノードの規模が大きいことを考慮すると、各ノードが他のノードと長時間接続を維持することは不可能であるため、各ノードの接続数は制限されます。通常、ノード接続数は 1,000 未満です (IPFS 構成ファイルで構成可能)。接続がなく通信が必要な場合は、DHT を通じてノード アドレスを見つけ、ノードを接続して通信することで、大規模な分散ノード ネットワークを形成できます。

上記のプロセスを例で説明してみましょう。次の図は一般的なネットワーク トポロジ アーキテクチャです。インターネットに接続されているネットワークは 3 つあります。 IPFS ノード 1 はパブリック IP アドレスを持つサーバー上にデプロイされており、外部から直接アクセスできます。 IPFS ノード 2 と IPFS ノード 3 は両方とも対称 NAT デバイスの背後に展開されており、外部からアクセスすることはできません。

上記のネットワーク アーキテクチャでは、パブリック ネットワーク内の IPFS ノード 1 がシード ノードとして使用されます。最初にシードノードが起動され、次に IPFS ノード 2、ノード 3、ノード 4、ノード 5 のシードノードが IPFS ノード 1 として構成されます。起動後、まず IPFS ノード 1 に接続します。接続が成功すると、DHT を通じて他のノードを検出し、最終的にそれらに接続します。 IPFS ノード 1 の場合、接続先のノード アドレス リストを下図に示します。 IPFS ノード 2、ノード 3、ノード 4、およびノー​​ド 5 はすべて NAT デバイスの背後にあるため、IPFS ノード 1 ノード リスト内のこれらのノードのポートはすべて NAT デバイスによってマップされたポートです (ローカルで開始されるデフォルトの IPFS ポートは 4001 です)。

IPFS ノード 3 の場合、そのノード アドレス リストでは、IPFS ノード 1 のアドレスがパブリック ネットワーク アドレスです。 IPFS ノード 3 と IPFS ノード 2 は両方とも NAT デバイスの背後にあり、直接接続できないため、IPFS ノード 2 のアドレスはリレー アドレスになります。 IPFS ノード1はリレーノードとして使用されます。 IPFS ノード 3 が IPFS ノード 2 にメッセージを送信すると、そのメッセージは IPFS ノード 1 を介して転送されます。リレーアドレスの形式は次のとおりです。

リレーノードアドレス/P2P回路/P2P/ターゲットノードID

IPFS ノード 3 のノード アドレス リストでは、IPFS ノード 4 と IPFS ノード 5 のアドレスは両方とも LAN アドレスであるため、NAT デバイスの背後にあるパブリック ネットワーク ノードと LAN ノードのネットワーク プロセスが完了します。

要約する

以上がIPFSネットワークを構築するプロセスです。説明の便宜上、いくつかの IPFS ノードのみを例として取り上げます。

実際、IPFS のこのネットワーク構築方法は、超大規模ノードのネットワーク化にも十分対応できます。ノード規模が非常に大きい場合（数万ノード）は、数十個のノードをシードノードとして設定し、DHT ネットワーキングを通じて数万以上のノードのネットワーキングを完了することができます。このとき、各ノードの長い接続数は数百に維持されます。後続のノードが通信する際に、接続が確立されていない場合は、ノード ID に従って DHT を介してノードのアドレス情報 (すべてのパブリック ネットワーク アドレスと LAN アドレスを含むアドレス リスト) を照会し、アドレスを介してノードを接続して通信プロセスを完了します。

IPFS ネットワークを構成するこの方法は、分散システムにとっても学習価値があり、参考になります。

著者について

Yao Wenhaoは、Data Grid LabのBitXMeshチームのデータプラットフォームアーキテクトです。