入門レベルから上級レベルまで: IPFSを理解するための記事

IPFS は、世界規模で情報を配布する方法を根本的に変えることを目的としたピアツーピア (p2p) ファイル共有システムです。

IPFS は、通信プロトコルと分散システムにおける複数の革新から構成され、それらを組み合わせることで比類のないファイル システムを生み出します。

したがって、IPFS が到達する範囲と深さを完全に理解するには、それを可能にする技術的な進歩を理解することが重要です。

通信プロトコルと分散システム

2 人の人々が情報を交換するには、情報がどのように、いつ送信されるかを定義する共通のルール セットが必要です。これらのルールは、広義では通信プロトコルと呼ばれますが、それは面倒なので、ここでは単に言語と呼ぶことにします。

母国語ではない言語の国に旅行したことがあるなら、おそらく「コミュニケーションプロトコル」の崩壊を経験したことがあるでしょう。

コンピューターの場合も同様です。

1980 年代初頭にコンピューティング用の最初の通信プロトコルが発明されるまで、それらは互いに通信することができず、独立したコンピューティング デバイスとして存在していました。

「プロトコルが通信するのはプログラミング言語、つまり計算です」

コンピュータでは、通信プロトコルは、プロトコル スイートと呼ばれる多層のバンドルとして存在することがよくあります。たとえば、インターネット プロトコル スイートは 4 つのレイヤーで構成され、各レイヤーは特定の機能を担当します。

通信プロトコルに加えて、理解すべき重要な関係は、コンピューター間の相互接続の基本構造です。これをシステムアーキテクチャと呼びます。

「クライアントサーバーネットワーク」と「ピアツーピアネットワーク」の2つのタイプがあります。

現在、インターネットはインターネット プロトコル スイートに依存する「クライアント サーバー」関係によって支配されています。その中でも、ハイパーテキスト転送プロトコル (HTTP) は通信の基盤となります。

1. データは集中サーバーに保存され、位置ベースのアドレス指定を通じてアクセスされます。

これにより、データの配布、管理、保護、サーバーおよびクライアントの容量の拡張が容易になります。しかし、セキュリティ、プライバシー、効率性の面で多くの弱点があります。サーバーの制御はデータの制御につながります。

つまり、サーバーの管理下にあるすべての当事者があなたのデータにアクセスし、変更し、削除できることになります。これは、サーバーに対して正当な権限を持つエンティティである場合もあれば、悪意のあるハッカーである場合もあります。

2. 位置ベースのアドレス指定では、データは内容ではなく位置によって識別されます。

この制限は、同じデータがより近い場所で利用可能であっても、データにアクセスするには特定の場所まで移動する必要があることを意味します。

しかし、クライアント サーバー モデルと HTTP は、インターネットの歴史の大部分において、かなり信頼性の高いサービスを提供してきました。

これは、HTTP Web がテキストや画像などの小さなファイルを移動するのに非常に効率的であるためです。覚えておいてください、Web の最初の 20 年間で、平均的な Web ページのサイズは 2 KB から 2 MB にしか増加しませんでした。

リソース

HTTP は Web サイトの読み込みには最適ですが、オーディオ ファイルやビデオ ファイルなどの大量のデータを転送するようには設計されていません。

これらの制限により、代替のファイル共有システムが登場し、主流として採用されるようになりました。 Napster が主に音楽をストリーミングするのと同じように、BitTorrent は映画やその他ほとんどすべてのものをストリーミングできます。

2018 年現在、オンデマンドの HD ビデオ ストリーミングとビッグ データは普及しています。私たちは今後もさらに多くのデータを生産、消費し、それを処理するためのますます強力なコンピューターを開発し続けるでしょう。

クラウド コンピューティングの大きな進歩がこの移行を支えるのに役立っていますが、このすべてのデータを配布するために使用される基盤となるインフラストラクチャはほとんど変わっていません。

惑星間ファイルシステム

IPFS は、新しい P2P ファイル共有システムを通じて、クライアント サーバー モデルと HTTP Web の欠点を解決しようとします。

このシステムは、いくつかの新しい技術と既存の技術を統合したものです。

IPFS は、ネットワーク プロトコルの研究開発ラボであり、元 Y Combinator のスタートアップである Protocol Labs によって作成されたオープン ソース プロジェクトです。 Protocol Labs は、IPLD や Filecoin などの補完システムも開発しています。

IPFS の開発には世界中の何百人もの開発者が貢献しているため、そのオーケストレーションは困難な作業となっています。

主な構成要素は以下のとおりです

1. 分散ハッシュテーブル

ハッシュ テーブルは、情報をキーと値のペアとして保存するデータ構造です。

分散ハッシュ テーブル (DHT) では、データはコンピューターのネットワーク全体に分散され、効率的に調整されるため、ノード間の効率的なアクセスと検索が可能になります。

DHT の主な利点は、分散化、フォールト トレランス、およびスケーラビリティです。

ノードは中央調整を必要とせず、ノードが故障したりネットワークから離脱したりしてもシステムは確実に動作し、DHT は数百万のノードに対応できるように拡張できます。これらの機能を組み合わせることで、クライアント サーバー構造よりも回復力の高いシステムを構築できます。

2. ブロック取引

人気のファイル共有システムである Bittorrent は、革新的なデータ交換プロトコルを利用することで、何百万ものノード間のデータ転送を正常に調整できますが、その機能はトレント エコシステムに限定されています。

IPFS は、BitSwap と呼ばれるこのプロトコルの一般化されたバージョンを実装します。

BitSwap はあらゆる種類のデータの市場として機能することができ、この市場は IPFS 上に構築された P2P ストレージ市場である Filecoin の基盤となります。

3. メルケル・ダイ

マークル DAG は、マークル ツリーと有向非巡回グラフ (DAG) のハイブリッドです。

マークルツリーは、P2P ネットワーク上で交換されるデータ ブロックが正しく、破損しておらず、変更されていないことを保証します。この検証は、暗号ハッシュ関数を使用してデータ ブロックを整理することによって行われます。これは単純に、入力を受け取り、その入力に対応する一意の英数字文字列 (ハッシュ) を計算する関数です。

入力が特定のハッシュになるかどうかを確認するのは簡単ですが、ハッシュから入力を推測するのは困難です。

各データ ブロックは「リーフ ノード」と呼ばれ、これらのデータはハッシュされて「非リーフ ノード」を形成します。これらの非リーフ ノードは、すべてのデータ ブロックが単一のルート ハッシュで表せるようになるまで結合およびハッシュ化されます。

これを概念化する簡単な方法は次のとおりです。

DAG は、サイクルのない情報のトポロジカルなシーケンスをモデル化する方法です。 DAG の簡単な例としては家系図があります。 Merkle DAG は基本的に、ハッシュを使用して DAG 内のデータ ブロックとオブジェクトを参照するデータ構造です。

これにより、いくつかの便利な関数が作成されます。

各データ ブロックには一意のハッシュがあるため、IPFS 上のすべてのコンテンツは一意に識別できます。さらに、データを変更するとハッシュ値が次のように変更されるため、データは改ざん不可能になります。

IPFS の中心的な信条は、すべてのデータをユニバーサル マークル DAG 上でモデル化することです。この安全機能の重要性はいくら強調してもし過ぎることはありません。

4. バージョン管理システム

Merkle DAG 構造のもう 1 つの強力な機能は、分散バージョン管理システム (VCS) を構築できることです。最も人気のある例は Github で、これにより開発者がプロ​​ジェクトで同時に共同作業を行うことが容易になります。

Github 上のファイルは、merkle DAG を使用して保存およびバージョン管理されます。これにより、ユーザーはファイルの複数のバージョンを個別にコピーして編集し、それらのバージョンを保存し、編集内容を元のファイルとマージできるようになります。

IPFS はデータ オブジェクトに対して同様のモデルを使用します。つまり、元のデータと新しいバージョンに対応するオブジェクトにアクセスできる限り、ファイル履歴全体を取得できます。

データ ブロックがネットワーク上でローカルに保存され、無期限にキャッシュできると仮定すると、IPFS オブジェクトは永続的に保存できることになります。

さらに、IPFS はインターネット プロトコルへのアクセスに依存しません。データはオーバーレイ ネットワーク全体に分散できます。オーバーレイ ネットワークは、別のネットワークの上に構築されたネットワークです。これらの機能は、検閲耐性ネットワークの中核要素であるため、特に魅力的です。

IPFS が私たちの生活にもたらす変化は、インターネット検閲の世界的な蔓延と闘うために言論の自由を促進する上で役立つツールになり得ますが、悪意のある人物がその権力を乱用する可能性も認識する必要があります。

5. 自己認証ファイルシステム

IPFS の最後の構成要素は、自己認証ファイル システム (SFS) です。データ交換に特別な権限を必要としない分散ファイルシステムです。

これは、クライアントに提供されるデータがファイル名 (サーバーによって署名されている) を介して認証されるため、「自己認証」です。ローカル ストレージへの透過性により、リモート コンテンツに安全にアクセスできます。

IPFS はこの概念に基づいて、惑星間名前空間を作成します。これは、公開鍵暗号化を使用して、ネットワーク ユーザーによって公開されたオブジェクトを自己認証する SFS です。先ほど、IPFS 上のすべてのオブジェクトは一意に識別できると述べましたが、これはノードにも適用されます。

IPFSの主要コンポーネントを簡単に見てみましょう

1. 分散ハッシュテーブルを使用すると、ノードは中央の調整なしにデータを保存および共有できます。

2. IPFS は、公開鍵暗号を使用して交換されたデータの即時の事前認証と検証を可能にします。

3. Merkle DAG は、データの一意の識別、改ざん防止、永続的な保存を実現します。

4. バージョン管理システムを通じて、編集されたデータの過去のバージョンにアクセスできます。

シンプルな概念フレームワーク

では、なぜこれらすべてが重要なのでしょうか?

IPFS は、高スループット、低レイテンシのデータ配信を実現します。また、分散化されており安全です。これにより、いくつかの興味深くエキサイティングなユースケースが生まれます。これを使用すると、Web サイトにコンテンツを配信したり、自動バージョン管理とバックアップを使用してファイルをグローバルに保存したり、安全なファイル共有と暗号化された通信を促進したりすることができます。

以下はIPFS上に構築されたプロジェクトです

シェアリングエコノミーのためのピアツーピアマーケットプレイスである Origin。

次世代ソーシャルネットワーク Akasha;

3 項目の会計プラットフォームである Balance3。

オープンなグローバル貨物ネットワークである BlockFreight。

物理的な金をトークン化するプラットフォームである Digix。

DApps のインフラストラクチャ プロバイダーである Infura。

分散型ライブビデオストリーミングプラットフォームであるLivepeer。

UPORT、自律識別システム。

これらのアプリケーションの多様性は、さまざまなユースケースにわたる IPFS の汎用性を示しています。また、パブリック ブロックチェーンやその他の P2P アプリケーションの補助ファイル システムとしても使用されます。

本稿執筆時点では、Ethereum スマート コントラクトに 1 キロバイトのデータを保存するには数ドルの費用がかかります。これは、新しい分散型アプリケーション (DApps) が急増している時期には大きな制約となります。

IPFS はスマート コントラクトやブロックチェーン データと相互運用可能であるため、Ethereum エコシステムに信頼性が高く低コストのストレージ容量を追加できます。 Ethereum ブロックチェーン データを IPFS 上でネイティブにアクセス可能にする試みは、IPLD (InterPlanetary Linked Data) と呼ばれる別のプロトコルです。

IPFSの課題

IPFS のパフォーマンスは良好ですが、まだ完全に解決されていない問題がいくつかあります。まず第一に、IPNS 上のコンテンツ アドレス指定は現時点ではあまり使いやすくありません。

IPFS リンクは次のようになります。

ipfs.io/ipns/QmeQe5FTgMs8PNspzTQ3LRz1iMhdq9K34TQnsCP2jqt8wV/

ドメイン ネーム システム (DNS) を使用してこれらのリンクをより単純な名前に簡略化することは可能ですが、これによりコンテンツ配信の外部障害ポイントが発生します。ただし、コンテンツには元の IPNS アドレス経由で引き続きアクセスできます。一部のユーザーからは、IPNS ではドメイン名の解決が遅くなり、最大数秒の遅延が発生することがあるという報告もあります。この問題の根本的な原因が何であるかは明らかではありません。

IPFS では、ノードがネットワーク上のデータの長期バックアップを維持する動機はほとんどありません。ノードはスペースを節約するためにキャッシュされたデータを消去することを選択できます。つまり、理論上は、データをホストするノードが残っていない場合、ファイルは時間の経過とともに最終的に「消える」ことになります。

現在の導入レベルでは、これは大きな問題ではありませんが、長期的には、大量のデータをバックアップするには強力な経済的インセンティブが必要になります。

ストレージ市場

Filecoin は、IPFS 上のファイル ストレージに経済的インセンティブを追加し、Amazon S3 などのエンタープライズ クラウド ストレージと競合する分散ストレージ市場を促進することを目的とした別のプロトコルです。

固定価格の集中型インフラストラクチャの代わりに、IPFS + Filecoin は、需要と供給に基づいて自由に価格を決定できるローカル プロバイダーのグローバル ネットワークにデータを保存します。

Filecoin は、Proof-of-Work コンセンサス アルゴリズム (Bitcoin など) の代わりに、Proof-of-Storage を使用してセキュリティと信頼性を確保します。

この方法により、誰でもネットワークに参加し、コンピューティング デバイス上の未使用のハード ドライブ領域を提供でき、データの保存および取得サービスに対して Filecoin トークンで報酬を受け取ることができます。

ネットワークは Ethereum 上で開発されているため、スマート コントラクトの統合により、ストレージ市場で保管、保険などの高度な機能を実現できます。

理論的には、この経済モデルは、大手プロバイダーよりも潜在的にコストが低い、競争の激しい自由市場を生み出すはずです。しかし、Filecoin はまだ稼働していないため、これらのコンセプトが現実にどのように展開されるかを見るのは興味深いでしょう。

IPFS を使い始める

IPFS は非常に野心的な取り組みであり、システムの機能の正確な仕組みは、このガイドで説明できるよりもはるかに複雑です。詳細については、暗号学者とコンピューター科学者に任せます。

IPFS を使用するのに専門家である必要はありません。IPFS の利点や使用例が役に立つ、または魅力的だと思われる場合は、IPFS をダウンロードしてここから始めてください。

未使用のストレージ容量が GB または TB あり、その空き容量を有効に活用したい場合は、ネットワークが起動したときに、Filecoin の早期マイナーとしてサインアップできます。早期ストレージユーザーになることに興味がある場合は、サインアップすることもできます。

IPFS の使用は魅力的ですが、それを可能にする技術的な魔法について学ぶことはさらに興味深いことです。

成功すれば、IPFS とその補完的なプロトコルは、次世代の Web に回復力のあるインフラストラクチャを提供できる可能性があります。分散型、安全、透明性の高いネットワークを提供することを約束します。