引?言
星际文件系统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。它是一种内容可寻址的点对点超媒体分发协议。在IPFS网络中的节点将构成一个分布式文件系统。
在IPFS网络中，文件是拆分后存储在不同节点的，每个节点存储的内容并不相同，当我们使用IPFS私有网络来作为系统的文件系统时就存在存储一致性问题，如单个节点的故障导致存储的文件不可用。
IPFS-Cluster项目很好地解决了私有IPFS网络数据可用性问题，IPFS-Cluster通过给IPFS网络添加一层分布式共识协议，从而保证IPFS集群节点存储内容的一致性。IPFS-Cluster也是分布式的系统，附加在IPFS节点之上，通过维护全局一致Pinset并和IPFS交互来构建一致性存储。
图1?IPFS-Cluster示意图
IPFS-Cluster架构介绍
IPFS-Cluste是由各功能组件构成的，所以首先需要对组件化及各组件功能进行简单介绍；然后介绍使用IPFS-Cluster进行文件Pin操作的工作流程，与IPFSPin文件工作流程进行对比；Consensus组件是IPFS-Cluster能够完成分布式一致性存储的核心，最后会介绍基于“Raft”的强一致性分布式共识组件，和基于“Merkle-CRDT”的最终一致性共识组件。
Glassnode：2021年BTC宏观、高时间框架盘整的一年:金色财经报道，区块链行业分析公司Glassnode发布2021年度回顾分析，其中对年初至今BTC行业进行了总结，主要包括：
1、价格比1月1日上涨了78.5%，目前比11月10日的最高点下跌了24.4%。
2、目前处于亏损的总供应量为348万枚BTC，相当于流通供应量的18.34%。
3、交易所余额今年净流出67.8万枚BTC，仅下降了2.5%。
4、长期持有者增持了184.6万枚BTC，而短期持有者的供应减少了142.8万枚BTC。
5、期货未平仓合约几乎增加了一倍，增加了95.7亿美元（97%），而期货交易量实际上下降了16%，达到367亿美元/天。
6、挖矿业的算力值在2021年内上升了27%，并从矿工大迁移中恢复，彼时大约53%的机器几乎一夜之间下线。
7、同时，矿工的总收入在今年上升了58%，自2020年5月减半以来上升了440%多。[2022/1/2 8:20:06]
Glassnode：“Bitcoin Thermocap”突破303亿美元:9月20日消息，Glassnode发推称，“Bitcoin Thermocap”刚刚突破303亿美元。比特币的市值为9000亿美元，其价值是其总投入成本的29.7倍。据了解。“Bitcoin Thermocap”是按照支付给矿工的美元区块奖励的累计金额计算的，反映了所有流通比特币的总“生产成本”。[2021/9/20 23:38:34]
图2?IPFS组件结构示意图
▲?组件化设计
IPFS-Cluster基于组件化设计，同节点的各组件之间通过内部RPC进行通信，此方案很容易把各组件部署到不同的机器，是一种极其容易扩展的架构设计。
IPFS-Cluster由以下8个组件组成：
Consensus共识组件:?负责在集群节点之间实现一致性，使所有节点的Pinset保持一致，并且管理节点的加入及退出。目前支持两种共识算法“Merkle-CRDT”和“Raft”。
PinTracker组件:PinTracker处于共识组件和IPFS中间层，PinTracker接收并维护Consensus组件发送的Pin操作，通过RPC组件将Pin操作发送到IPFS。
Glassnode报告：比特币新投资者在市场调整期间并没有恐慌抛售:3月8日消息，加密市场数据聚合机构Glassnode分享了有关比特币新投资者销售行为的研究报告，根据该报告，2021年比特币新投资者在调整期间没有恐慌抛售，尽管市场出现大幅调整，比特币持有者的士气依然高涨。Glassnode表示，这表明新投资者持有比特币的信心很高，在上一次下跌期间，2021年购买的比特币并未出现亏损。（investing）[2021/3/8 18:25:09]
PeerMonitor组件:?负责维护集群节点的状态，PeerMonitor周期性的检查节点存活状态。
State组件:存储Pin操作的数据库，便于对Pin操作进行增、删、查等操作。
RestApi组件:该组件提供了基于HTTP的ClusterPeer功能的访问服务器。
IPFSProxy组件:是一个代理endpoint，可以用来调用IPFS-Cluster连接的IPFS。某些请求比如Pin/Unpin等会被拦截并触发IPFS-Cluster集群操作，从而操作会在集群所有节点执行。未被拦截的请求都直接转发Cluster所连接的IPFSDeamon。
掌柜调查署｜节点资本创始合伙人杜均：单纯从技术角度来看，并没有看到IPFS技术的突破:在今日举行的掌柜调查署中，针对“IPFS和Filecoin有哪些重大创新，为什么大家如此关注“的问题，节点资本创始合伙人杜均表示，个人认为，无论是比特币为代表的区块链1.0，还是以太坊为代表的区块链2.0，以及现在我们大热的IPFS（激励层Filecoin），都是一群“技术中立”信仰者构建的理想国，希望通过“CODE IS LAW”促进社会变得更公平更美好。单纯从技术角度来看，我并没有看到技术的突破，我更多看到的是利用区块链思维对传统互联网访问协议以及分布式存储的升级。大家关注的点不一样，只有极少数人关注到IPFS的技术创新，更多的人关注的是如何赚钱。更多详情见原文链接。[2020/7/4]
Allocator/Informer组件:Informer组件用于监控系统的硬盘使用情况、Pin操作的数量。Allocator组件用来选择文件Pin到的具体节点，系统可以根据硬盘使用情况来选择文件存储到的节点，把文件存储到特定的节点。
RPC组件:?系统使用内部RPC在同节点各组件间进行通信，外部RPC在不同节点各组件间进行通信，提高了系统的可扩展性。
现场| 汉光百货董天一：IPFS能弥补HTTP不足 与区块链的结合顺理成章:金色财经现场报道，在今日MSUP主办的全球区块链技术案例峰会上，汉光百货商务电子技术总监、IPFS技术专家董天一在演讲中提到，IPFS弥补了HTTP的不足，将为我们打造更好的互联网。IPFS能够改变文件存储、数据在互联网上传输和人类使用数据的方式，并能进行存储资源、带宽资源的优化配置，因此，区块链项目选择IPFS作为存储解决方案是顺理成章的事。[2018/9/9]
▲?Pin处理流程
当使用IPFS-Cluster添加内容时和IPFSadd命令添加内容命令的选项基本相同。但是IPFSadd命令仅将内容添加到本地IPFS，IPFS-Cluster同时添加到多个集群节点连接的IPFS，具体添加到多少个节点依靠ReplicationFactors参数控制。
Pin和Unpin是集群操作的核心，涉及多个内部组件，但有两个主要阶段：
ClusterPin阶段：持久化Pin操作，并通过共识组件广播给其他集群节点。
首先接收到一个Pin请求，请求包括特定参数。
根据参数会选择Pin到哪个节点，ReplicationFactors决定多少副本，磁盘空间决定选择哪个节点来进行存储。
共识组件负责将Pin请求广播到集群其它节点。
IPFSPin阶段：被指定的IPFS负责将文件内容成功Pin到本地。当Cluster-Pinning阶段完成，每个节点会被通知有个新的Pin工作，如果节点在配置列表中，会调用IPFS来进行Pin操作。
PinTracker组件开始追踪CID。
如果分配到节点，IPFSPinadd操作被执行。
PinTracker会等待IPFSPinadd操作完成，如果Pin出现错误则会进行上报处理。
这两个阶段是异步处理的，ClusterPin阶段处理后就会给用户返回应答，IPFS-Pinning阶段处理比较慢，由PinTracker对Pin过程进行管理。如果IPFSPin失败,或Pin超时失败，Cluster会接收异常情况，并定期运行Recover功能来进行异常处理。
▲?Consensus共识组件
共识组件主要职责：
管理全局Pinset集合，包括从其它节点获取或者向其它节点发送Pin操作命令。
管理Pinset相关的文件在IPFS中的持久化存储。
在所有的节点间实现分布式一致，所有的节点需要收敛相同的Pinset。
管理集群节点，包括节点加入离开，设置节点间的管理机制。
设置节点信任机制，定义哪些节点可以访问本地RPC服务。
IPFS-Cluster共识组件目前有两种具体实现，基于“Raft”的强一致性分布式共识，和基于“Merkle-CRDT”的最终一致性共识。基于“Raft”的强一致性共识，对任何一个节点发起请求都会得到相同的回复，但将产生相对高的延迟；基于“Merkle-CRDT”的最终一致性共识具有更低的响应延迟，但可能会回复过期的数据，最终一致性即是经过一段时间后终会到达一致的弱一致性。
▲?基于Raft共识算法实现
(1)通过将更新直接发送到连接的每个节点来发布更新。
(2)在本地BoltDB保存所有的持久化数据。
(3)使用Raft共识来获得强一致性。集群选出一个Leader负责提交每个请求的日志，必须群集中超过一半的节点确认才能使操作有效。可以仅将追加日志合并并压缩为快照，然后将其发送给新的节点方。
(4)相信所有节点，所有节点都可以申请加入Raft集群，并且所有节点可以和其它节点进行网络通信，前提是他们都知道私有网络的ClusterSecret。
▲?基于Merkle-CRDT?实现
CRDT是Conflict-FreeReplicatedDataTypes的缩写，即“无冲突可复制数据类型”。Merkle-CRDT是IPFS-Cluster默认的共识组件实现。
(1)通过libp2p的pubsub组件来广播Pinset更新，通过DHT+Bitswap来定位并交换数据。
(2)在本地BoltDB保存所有的持久化数据。
(3)使用Merkle-CRDTs来达成最终一致性。Merkle-CRDTs是CRDT一种改进，使用Merkle-DAG作为共识的逻辑时钟，Merkle-DAG中每个Node代表一个操作，前一个操作Node作为后一个操作Node的Parent。这样不同节点间只需要对比并同步Merkle-DAG数据结构即可维持操作的一致性。Merkle-DAGs作为逻辑时钟是只增的，不能修改的。当新的节点加入时需要从RootNode开始遍历整个Merkle-DAG，当Merkle-DAG深度比较大时，这可能导致新节点加入处理流程过慢。
(4)不需要执行任何Peerset管理。通过pubsub收到“Ping”的每个对等方都被视为集群的成员。
IPFS-Cluster总结
IPFS-Cluster作为IPFS网络的附加层，通过添加分布式共识算法达到了IPFS集群存储的一致性。此方案可以将IPFS私有网络打造成高可用存储系统，也可以用来提高IPFS的稳定性。基于内部RPC的组件化设计非常适合分布式系统，整个系统可以很方便的扩展并部署到不同的节点。
当然，目前IPFS-Cluster还不支持基于文件系统的一致性存储操作，以集群形式添加的文件在IPFS中存储为Block格式，并不支持整个文件系统状态的分布式一致性维护。
作者简介
马耀耀
来自数据网格实验室BitXMesh团队研究方向：P2P网络、数据安全传输
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