IPFS存储一致性难题？IPFS-Cluster帮你解决

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

现场 | 翟瑞飞：IPFS与区块链协同工作可以解决区块链效率、成本问题:金色财经现场报道，10月15日，华山论剑2020网络安全大会于西安召开，在大会的区块链安全与应用创新分论坛上，灵动研发技术总监翟瑞飞演讲表示，当前数据量爆发式增长，因此面临数据存储、扩容等问题，此外，中心化存储还面临数据安全、隐私、资源浪费、效率地下、全球能耗的问题。IPFS协议通过内容寻址、分布式存储的技术可以实现数据长久存储、数据开放、数据确权流转等。IPFS与区块链协同工作，还可以解决区块链存储效率地、成本高的问题，也可以解决跨链的通信问题。基于IPFS开发的存储应用与传统存储应用前端无差别，但后端文件可以实现分布式存储、加密，保护用户数据隐私。[2020/10/15]

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。

蝶链科技创始人彭勇：IPFS成为多维度数据的底层基础:在7月22日举办的《家里有矿 | 大数据时代下 IPFS的机遇在哪里》的直播节目中，蝶链科技创始人彭勇表示，IPFS成为多维度数据的底层基础，多维度数据分析是大数据应用的重要基础，各个维度的数据越全面才能越能支持数据的分析和挖掘。IPFS网络作为底层，再配合其他的应用就可以更好的实现数据的多维度分析。例如，个人健康的多维度分析，就需要以这个人的基本信息作为核心来不断收集各种各样的信息来进行统一分析，需要考虑到所有信息的分级管理，哪些信息是完全隐私任何人都不能查看，哪些数据是可以通过用户授权给相关的医疗机构来查看，哪些数据是可以公开查阅。这些都是可以通过IPFS在加上某些应用就可以实现。[2020/7/22]

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。

BBKX将于今日21:00开启金色算力云IPFS云算力认购BBK专场:据BBKX官方消息，为了回馈广大用户对于BBKX的鼎力支持，BBKX平台将于7月6日21时推出金色算力云IPFS云算力抢购BBK专场，用户需使用平台通证BBK参与抢购，限量100TB，请参与者提前做好准备工作，周一21:00准时开放抢购。

BBKX平台IPFS云算力为与金色算力云联合推出，起购门槛为3500BBK，可以满足不同用户的投资需求。

BBKX成立于2019年6月，已获得节点资本与链上基金联合投资，现货交易手续费低至0.05%。[2020/7/6]

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。

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。

“IPFS云管算力”第四期BGO认购专场于7月6日16:00开启:据官方消息，管交所BGOEX“IPFS云管算力”第四期BGO认购专场于7月6日16:00开启，至7月10日12：00结束，价格2000BGO/TB，总量2000T。“IPFS云管算力”由管交所BGOEX推出的一项支持用户按T和周期租赁IPFS云算力并享有挖矿权益的业务。据悉，管交所BGOEX已宣布“IPFS云管算力”认购流通使用的BGO将全部销毁。管交所BGOEX“IPFS云管算力”官方三大承诺：“1.100%自有实体矿机，性价比同行业最高级别；2.挖不出filecoin，100%退还本金；3.如遇突发风险事件不回本，将延长挖矿周期，直至回本并且盈利。”[2020/7/6]

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。

动态 | 基于EOS+IPFS技术的知识共享社区Lore Free图书资源突破10000个:据Lore Free官网数据统计，自4月9日正式开放以来，由用户自发上传的电子图书资源已超过10000个，收录图书七千余种。据了解，Lore Free是首个基于EOS+IPFS技术开发的去中心化知识共享社区，其首个DApp应用去中心化电子图书馆于4月2日上线。[2019/4/16]

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。

▲?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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