导?读
本文为IPFS系列文第4篇，详解IPFS的核心模块——Bitswap。
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。
与传统的文件系统不同，它是一种基于内容寻址的点对点超媒体分发协议。
IPFS网络中的节点构成一个分布式文件系统网络，其中Bitswap是IPFS的核心模块，负责与网络中其他节点之间请求和发送数据块。
图1
IPFS将文件分解为称为block的数据块，这些块由内容标识符标识。?
IPFS文件内容存储在不同的节点上，每个节点存储rootblock，少量节点存储完整文件数据，大部分节点存储部分文件block。因为block分散存储在不同节点，Bitswap协议解决了从多个节点高效获取全部数据块的问题。
图2?多节点文件存储示意图
总体架构
本文基于Bitswapv0.3.3版本进行分析。
Infura宣布其IPFS产品将于2023年1月9日进行必要维护:12月24日消息，Infura宣布，IPFS产品将于2023年1月9日进行必要的维护。这会影响任何与pins的API交互，特别是 /api/v0/add；启用“仅显示固定内容”安全功能的专用网关。Infura估计该服务将部分不可用约30分钟。[2022/12/24 22:04:20]
IPFS向Bitswap获取block，Bitswap是IPFSexchange接口的具体实现，负责完成IPFS网络数据交换功能。
图3?Bitswap组件架构图
Bitswap协议内容比较繁琐，为了降低实现复杂度协议划分为block请求模块、block发送模块、会话管理模块、block提供者发现模块、网络模块等。
Bitswap模块负责接收新的消息并且提供对外数据交换接口。
session管理模块用来管理多个session，每个session管理一组文件的下载，来提高下载效率。
block发送模块负责管理向其它节点发送数据块。block请求模块负责管理数据块的请求。block提供者发现模块负责通过DHT网络发现网络中的数据块，通常session找不到已拥有所需block的节点时会调用此模块进行数据块发现。
IPFS创始人发布Filecoin整体规划：拟打造跨链桥、构建和以太坊虚拟机的兼容性等:9月21日消息，在由万向区块链实验室主办的第八届区块链全球峰会上，IPFS创始人Juan Benet发布题为《Filecoin整体规划》的主旨演讲，Filecoin整体规划分为3个阶段：1.搭建世界上最大的去中心化存储网络；2.上传人类各种数据，并且开发大规模的数据的载入管道；3.将数据和计算相结合。
Filecoin已实现第一阶段并正在关注第二阶段，Filecoin正通过几个大的项目，来实现这个阶段的目标。今年年初全网大概有20pb的数据使用，而现在已升至185pb。此外，在第三阶段，Filecoin计划将在明年第一季度为Filecoin虚拟机引入可编程性从现在到明年的第一季度，Filecoin将会推出一系列的测试网，让很多团队可以基于测试网进行构建。Filecoin也在构建和以太坊虚拟机的兼容性，也就是说开发者可以直接调用以太坊FVM的合约，不需要做任何的变更，最多是改变一下部署路径，就可以去部署。Filecoin还有一个非常重要的维度，就是打造与其他区块链连接的跨链桥。[2022/9/21 7:11:14]
协议概述
为了完成节点间block交换，Bitswap定义了通信消息及通信协议。
IPFS原力区技术赋能全球节点 节点接单成功率100%:全球前25名矿工节点，9名矿工节点成功率达到100%。在9名100%接单矿工中，超60%以上的节点由原力区提供技术服务支持，另外其他合作伙伴节点也已实现100%接单。
接单成功率是Filecoin官方团队判断是否启动测试网奖励计划的关键数据指标，官方一直希望更多的矿工参与到网络。原力区提供技术服务的节点已经全部实现接单成功率100%。[2020/8/11]
图4
Bitswap消息处理流程：
1、IPFS请求文件区块，Bitswap发送want-have消息携带CID1信息到连接的所有节点。节点根据自己是否有CID1文件块返回have或dont-have消息。
2、client向拥有CID1的节点发送want-block消息，节点返回相应的block消息。
3、当没有节点有请求的block，Bitswap广播want-have到所有的连接节点，或者通过DHT查找拥有文件区块的节点。
模块详解
▲?Bitswap模块
Bitswap模块负责接收新消息并且实现对外的数据交换接口。
当接收到新消息后，Bitswap处理流程：
1、记录有关消息的一些统计信息
禧钥一道执行董事阿猛：只要IPFS体验足够好，就会推动其他分布式项目发展:2020年6月22日，由金色财经主办，节点咨询、IPFS100.com承办，星际特工、麦客存储联合主办的“星际漫游指南——IPFS技术与应用研讨论坛”在深圳拉开帷幕。禧钥一道执行董事阿猛在主题为《IPFS的突围与机会》的圆桌论坛中指出，中心化存储本身会带来一些问题，5G上来以后数据是爆发式增长的，IPFS和中心化存储是平行的，IPFS需要以用户作为支撑，而且体验要足够好，也许未来的改变，长远一点会影响到分布式计算。[2020/6/22]
2、通知发送模块wants消息，这样数据发送模块可以根据实际情况向需求节点发送响应消息。
3、通知发送模块任何收到的blocks，发送模块根据节点的需求列表可以将接收到的块发送给任何需要它们的节点
4、向SessionManager通知接收到的blocks，HAVEs和DONT_HAVEs消息，这样SessionManager可以通知消息相关的session。
Bitswap通过FacadePattern提高了模块使用的便利性，使得Bitswap子系统的用法变得简单，避免了IPFS和Bitswap的高度耦合。
▲?Session管理模块
session管理模块用来管理多个数据块下载session，每个session管理一组文件的下载。
佟扬：金色财经、节点咨询、IPFS100.com三剑客达成深度合作:2020年6月22日，由金色财经主办，节点咨询、IPFS100.com承办，星际特工、麦客存储联合主办的“星际漫游指南——IPFS技术与应用研讨论坛”在深圳拉开帷幕。论坛上金色财经VP、CapitalIN CEO佟扬，在开场致辞中指出，金色财经自创立之初就始终深耕区块链行业，节点咨询是以助力区块链行业实现良性循环、打通产业上下游为己任的咨询公关公司，专注于IPFS垂直领域的生态平台——IPFS100.com横空出世。目前金色财经、节点咨询、IPFS100.com三大超重量级平台已经达成深度战略合作，充分实现资源共享、双赢共生。这一场由区块链技术三剑客倾力打造的盛会将为行业带来全新的思考方向，让大家窥视IPFS技术发展先机，嗅探投资动向、看清技术前沿。[2020/6/22]
当SessionManager收到新消息时，它将
1、通知BlockPresenceManager组件跟踪每个block。
2、通知对接收到的block感兴趣并想要的Sessions。
3、通知PeerManager组件收到的block，PeerManager检查是否有任何wants被发送到节点以接收已经收到的块。?如果是这样，它将向那些节点发送“CANCEL”消息，防止其它节点重复发送消息。
Session管理模块通过协调多个session的数据需求来提高数据交互的效率，避免数据块的重复请求、发送。
▲?Session模块
Session管理一组文件的下载，用来提高一组文件块，比如单个文件下载效率。当IPFS调用Bitswap时，Bitswap会创建一个新的Session并调用Session的相应方法，比如GetBlocks()获取blocks。Session会管理一个节点列表，数据获取过程只会向session中的节点获取数据，而不是所有的连接节点。当Session中的节点都没有某个block时，Bitswap才会通过DHT获取具有block的节点并加入session。
由于session刚开始没有任何节点，处于“discovery”模式。当IPFS最初从session请求block时，该session处理流程如下：
1、通知SessionInterestManager组件它感兴趣的block。
2、通知sessionWantManager组件需要的block。
3、通知PeerManager组件向连接节点发送“want-have”消息，以发现哪些节点有需要的block。
4、查询ProviderQueryManager组件以发现哪些节点具有该block。
当session收到带有“HAVE”或“block”的消息时，它将通知SessionPeerManager组件。
当session收到带有“block”的消息时，它将通知SessionInterestManager组件。
一旦session具有节点，就不再处于“discovery”模式。当IPFS请求后续block时，session将通知sessionWantSender组件。sessionWantSender组件通知PeerManager组件向会话中的节点发送“want-have”和“want-block”消息。
对于session所需的每个block，sessionWantSender组件通过与BlockPresenceManager组件核对哪些节点已为该block发送了“HAVE”，来确定哪个节点最有可能拥有该block。如果多个节点发送过“HAVE”，则会根据先前请求回复速度来选择节点。
由于DHT内容发现速度慢并且网络带宽消耗大，session通过向一组含有目标数据块可能性大的节点获取数据，从而大大提高了数据块获取的效率。
▲?Block发送模块
block发送模块负责管理向其它节点发送数据块，包含节点需求管理组件和消息发送任务队列。
Engine是block发送模块的处理类，当Engine被告知有新的wants时
1、将want添加到Ledger，Ledger会存储每个节点的需求列表。
2、检查blockstore中的相应block，并将任务添加到PeerTaskQueue组件。如果block库没有想要的block，则添加“DONT_HAVE”任务；如果blockstore有block，对于“want-have”添加了“HAVE”任务，对于“want-block”添加了“block”任务。
3、当Engine收到新block的消息时，它会检查Ledger以查看是否有节点需要此block。对于发送“want-have”的每个节点向PeerTaskQueue组件添加一个?“HAVE”任务，对于为发送了“want-block”的每个节点，向PeerTaskQueue组件添加一个“block”任务。
4、Engine会定期从PeerTaskQueue组件中取出任务，并创建带有“blocks”，“HAVEs”和“DONT_HAVEs”的消息。
PeerTaskQueue组件通过对任务进行优先级排序，发送队列中数据量最少的节点方具有最高优先级，通过这种流控措施，提高数据块发送处理效率。
▲?数据块请求模块
Block请求模块负责管理数据块的请求。PeerManager组件为连接到Bitswap的每个节点创建一个MessageQueue组件，记录了“want-have”?、“want-block”已发送到哪个节点，并将任何新的wants定向到正确的节点。并且MessageQueue组件通过合并多个want为一条消息，然后将该消息发送给节点，从而提高了消息发送效率。
▲?内容发现模块
当Bitswap找不到已拥有所需block的节点时，它会使用DHT进行内容发现。Bitswap通过ProviderQueryManager组件管理这些请求，ProviderQueryManager组件对请求进行速率限制，并对进行中的请求进行重复删除处理。
总结
Bitswap作为IPFS网络数据交换接口的具体实现，设计并实现了一套高效的节点间交换数据的协议。
协议主要关注点是如何快速、高效获取需要的block，其中包括节点选择策略，如何最大化利用每个节点的能力。
Bitswap通过FacadePattern提高了模块使用的便利性，在具体实现上解耦复杂依赖到各功能模块，从而降低系统实现的复杂度。
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
参考资料
https://github.com/ipfs/go-bitswap/blob/master/docs/how-bitswap-works.md
https://github.com/ipfs/specs/blob/master/BITSWAP.md
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