【区块链】利用IPFS构建自己的去中心化分布式系统

IPFS全称InterPlanetary File System，中文名：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对等超媒体分发协议。在IPFS网络中的节点将构成一个分布式文件系统。它是一个开放源代码项目，自2014年开始由Protocol Labs （协议实验室）在开源社区的帮助下发展。其最初由Juan Benet设计。
IPFS是点对点的超媒体协议，可以让网络更快、更安全、更开放。它是一个面向全球的、点对点的分布式版本文件系统，试图将所有具有相同文件系统的计算设备连接在一起。
官网：https://ipfs.io/

一、IPFS 简介

IPFS—又称“星际文件系统”。简单点说，它是一个点对点的分布式文件系统（和比特币技术一样），通过底层协议，可以让存储在IPFS系统上的文件，在全世界任何一个地方快速获取，且不受防火墙的影响（无需网络代理）。

我们现在所使用的互联网协议被称作——超文本协议HTTP。这种协议具有超中心化特性。

也就是说，你从互联网上下载文件或者是浏览网页，一次只能从一个数据中心获取你所需要的资料。如果这个数据中心出现故障，或者被限制或是攻击，就会出现文件丢失或者网页无法打开的问题。比如你存在某云盘的资料突然无法下载，或者你想浏览的网页因为某些政策原因无法打开。

而IPFS的目的就是解决这些问题。在某些方面，IPFS类似Web，你一样可以基于IPFS进行互联网地址的链接。但IPFS是去中心化的，它不存在Web的主网故障问题。所以，IPFS完全取代掉HTTP也并非天方夜谭。

1.1 IPFS与HTTP的区别

HTTP的四大痛点

HTTP效率低下，服务器成本昂贵

使用HTTP协议从一台计算机服务器上一次只能下载一个文件，而不是同时从多台计算机中获取文件。通过P2P方式的视频传输可以节省带宽成本的60％。

历史文件被删除

网页的平均使用寿命为100天，大量的网站文件不能得以长期保存。有些重要的文件因操作不当，也有可能永远在互联网消失。

中心化的网络限制了机会

互联网一直是人类进步的催化器，但中心化的网络容易被控制，是对互联网良性发展的的威胁。

网络应用太依赖骨干网

为保证数据的可靠性，我们开发的应用程序太依赖大型的中心服务器，并通过大量的备份来保证数据的安全。

HTTP协议已经用了20年的历史，从HTTP 1.0 到现在的HTTP5，网页的展示越来越美观丰富，但它背后的Browser/Server 模式是从来没变的。

IPFS区别于HTTP痛点的特质

互联网信息永久存储

IPFS像是一个分布式存储网络（类似于SIA），任何存储在系统里的资源，包括文字、图片、声音、视频，以及网站代码，通过IPFS进行哈希运算后，都会生成唯一的地址。今后，你只要通过这个地址就可以打开它们。并且这个地址是可以被分享的。

而由于加密算法的保护，该地址具备了不可篡改和删除的特性（在某种意义上，如果破解密码还是有可能被篡改或删除，但概率极低）。所以，一旦数据存储在IPFS中，它就会是永久性的。比如我们经常会遇到的某个资源删除无法访问的问题。

这种情况，在IPFS上就不会发生。即便是把该站点撤销，只要存储该站点信息的网络依然存在，该网页就可以被正常访问。存储站点的分布式网络越多，它的可靠性也就越强。

与SIA不同的是，IPFS存储的一般是公共信息，普通大众都可以获得的。有一种说法认为，如果IPFS完全取代HTTP，那么此后，人类历史将会被永久保存，且不会被篡改。

这也就意味着，人类所做的每一件事情都会被记录，不管是正确的、抑或是错误的。

解决过度冗余问题，实现共享经济

如果你喜欢某部电影，又担心电影资源丢失，通常的做法是，你会把这部电影下载在自己的电脑上。比如电影《阿凡达》，在2016年一年的下载次数就达到了1658万次，总下载数量更是惊人。那么一个无法避免的问题是：同样的一部电影被反复储存，造成了内存资源极大浪费。这就是HTTP协议的弊端。同样的资源备份的次数过多，就会造成过度冗余的问题。

而IPFS的出现可以很好的解决这个问题。IPFS会把存储文件，做一次哈希计算，只字不差的两个文件哈希值相同。所以，用户只需要使用相同的哈希值，就可以访问那个文件，这个哈希值就是文件的地址。只要获取这个地址，就可以共享资源了。

基于上面的永久存储特性，你再也不用担心某个电影找不到了，也不用备份，因为全球电脑上只要有那么几个人存储着，你就能拿到它。而不是重复存储几十万份。

同时基于内容寻址，而非基于域名寻址。

IPFS的网络上运行着一条区块链，即用来存储互联网文件的哈希值表，每次有网络访问，即要在链上查询该内容（文件）的地址。

文件（内容）具有存在的唯一性，一个文件加入了IPFS的网络，将基于计算对内容赋予一个唯一加密的哈希值。这将改变我们使用域名访问网络的习惯。

提供文件的历史版本控制器（类似Git），并且让多节点使用保存不同版本的文件。

节点存储激励，代币分成

通过使用代币（FileCoin）的激励作用，让各节点有动力去存储数据。 Filecoin 是一个由加密货币驱动的存储网络。矿工通过为网络提供开放的硬盘空间获得Filecoin，而用户则用 Filecoin 来支付在去中心化网络中储存加密文件的费用。

1.2 IPFS工作原理

• 每个文件及其中的所有块都被赋予一个称为加密散列的唯一指纹。

• IPFS通过网络删除重复具有相同哈希值的文件，通过计算是可以判断哪些文件是冗余重复的。并跟踪每个文件的版本历史记录。

• 每个网络节点只存储它感兴趣的内容，以及一些索引信息，有助于弄清楚谁在存储什么。

• 查找文件时，你通过文件的哈希值就可以在网络查找到储存改文件的节点，找到想要的文件。

• 使用称为IPNS（去中心化命名系统），每个文件都可以被协作命名为易读的名字。通过搜索，就能很容易地找到想要查看的文件。

• 从IPFS的介绍可以看出， IPFS设想的是让所有的网络终端节点不仅仅只充当 Browser或Client的角色，其实人人都可以作为这个网络的运营者，人人都可以是服务器。

1.3 IPFS应用场景

二、IPFS 配置

2.1 IPFS 下载

下载地址：https://dist.ipfs.io/#go-ipfs

本篇博客下载并使用的版本是：go-ipfs Version v0.4.13 for OS X 64bit

2.2 IPFS 安装

ipfs --help //打开命令行，输入，出现Log信息时，表示安装成功


2.3 IPFS本地部署

2.3.1 创建节点

在本地全局目录下新建仓库：

2.3.2 节点配置

cd ~/.ipfs
export EDITOR=/usr/bin/vim
ipfs config edit


执行完ipfs config edit后会打开一个ipfs节点配置文件，可以如下修改配置参数

{
"Identity":{
"PeerID":"QmXXXXXXXXXXXXXXX",
"PrivKey":"XXXXXXXXXXXX"
},
"Datastore":{
"StorageMax":"10GB",
"StorageGCWatermark":90,
"GCPeriod":"1h",
"Spec":{
"mounts":[
{
"child":{
"path":"blocks",
"shardFunc":"/repo/flatfs/shard/v1/next-to-last/2",
"sync":true,
"type":"flatfs"
},
"mountpoint":"/blocks",
"prefix":"flatfs.datastore",
"type":"measure"
},
{
"child":{
"compression":"none",
"path":"datastore",
"type":"levelds"
},
"mountpoint":"/",
"prefix":"leveldb.datastore",
"type":"measure"
}
],
"type":"mount"
},
"HashOnRead":false,
"BloomFilterSize":0
},
"Addresses":{
"Swarm":[
"/ip4/0.0.0.0/tcp/4001",
"/ip6/::/tcp/4001"
],
"Announce":[
],
"NoAnnounce":[
],
"API":"/ip4/127.0.0.1/tcp/5001",
"Gateway":"/ip4/127.0.0.1/tcp/8080"
},
"Mounts":{
"IPFS":"/ipfs",
"IPNS":"/ipns",
"FuseAllowOther":false
},
"Discovery":{
"MDNS":{
"Enabled":true,
"Interval":10
}
},
"Ipns":{
"RepublishPeriod":"",
"RecordLifetime":"",
"ResolveCacheSize":128
},
"Bootstrap":[
"/dnsaddr/bootstrap.libp2p.io/ipfs/QmNnooDu7bfjPFoTZYxMNLWUQJyrVwtbZg5gBMjTezGAJN",
"/dnsaddr/bootstrap.libp2p.io/ipfs/QmQCU2EcMqAqQPR2i9bChDtGNJchTbq5TbXJJ16u19uLTa",
"/dnsaddr/bootstrap.libp2p.io/ipfs/QmbLHAnMoJPWSCR5Zhtx6BHJX9KiKNN6tpvbUcqanj75Nb",
"/dnsaddr/bootstrap.libp2p.io/ipfs/QmcZf59bWwK5XFi76CZX8cbJ4BhTzzA3gU1ZjYZcYW3dwt",
"/ip4/104.131.131.82/tcp/4001/ipfs/QmaCpDMGvV2BGHeYERUEnRQAwe3N8SzbUtfsmvsqQLuvuJ",
"/ip4/104.236.179.241/tcp/4001/ipfs/QmSoLPppuBtQSGwKDZT2M73ULpjvfd3aZ6ha4oFGL1KrGM",
"/ip4/128.199.219.111/tcp/4001/ipfs/QmSoLSafTMBsPKadTEgaXctDQVcqN88CNLHXMkTNwMKPnu",
"/ip4/104.236.76.40/tcp/4001/ipfs/QmSoLV4Bbm51jM9C4gDYZQ9Cy3U6aXMJDAbzgu2fzaDs64",
"/ip4/178.62.158.247/tcp/4001/ipfs/QmSoLer265NRgSp2LA3dPaeykiS1J6DifTC88f5uVQKNAd",
"/ip6/2604:a880:1:20::203:d001/tcp/4001/ipfs/QmSoLPppuBtQSGwKDZT2M73ULpjvfd3aZ6ha4oFGL1KrGM",
"/ip6/2400:6180:0:d0::151:6001/tcp/4001/ipfs/QmSoLSafTMBsPKadTEgaXctDQVcqN88CNLHXMkTNwMKPnu",
"/ip6/2604:a880:800:10::4a:5001/tcp/4001/ipfs/QmSoLV4Bbm51jM9C4gDYZQ9Cy3U6aXMJDAbzgu2fzaDs64",
"/ip6/2a03:b0c0:0:1010::23:1001/tcp/4001/ipfs/QmSoLer265NRgSp2LA3dPaeykiS1J6DifTC88f5uVQKNAd"
],
"Gateway":{
"HTTPHeaders":{
"Access-Control-Allow-Headers":[
"X-Requested-With",
"Range"
],
"Access-Control-Allow-Methods":[
"GET"
],
"Access-Control-Allow-Origin":[
"*"
]
},
"RootRedirect":"",
"Writable":false,
"PathPrefixes":[
]
},
"API":{
"HTTPHeaders":null
},
"Swarm":{
"AddrFilters":null,
"DisableBandwidthMetrics":false,
"DisableNatPortMap":false,
"DisableRelay":false,
"EnableRelayHop":false,
"ConnMgr":{
"Type":"basic",
"LowWater":600,
"HighWater":900,
"GracePeriod":"20s"
}
},
"Reprovider":{
"Interval":"12h",
"Strategy":"all"
},
"Experimental":{
"FilestoreEnabled":false,
"ShardingEnabled":false,
"Libp2pStreamMounting":false
}
}


2.3.3 节点ID

每个节点都会存在一个唯一标识，查看节点ID方式如下：


ipfs id


2.3.4 启动节点服务器

ipfs daemon


出现了5001端口被占用的情况，这边可以通过对节点配置文件的修改来解决，如下所示：

• 找到所有配置5001端口的地方
• 替换成5002端口

再次启动节点，服务成功启动如下所示：

2.3.5 配置CORS跨域资源共享

为了方便后续前端的开发和数据访问，提前对跨域资源共享CORS进行配置，ctrl-c 退出ipfs，然后按照下面的步骤进行跨域配置：

ipfs config --json API.HTTPHeaders.Access-Control-Allow-Methods '["PUT", "GET", "POST", "OPTIONS"]'
ipfs config --json API.HTTPHeaders.Access-Control-Allow-Origin '["*"]'


2.3.6 验证

浏览器打开 http://localhost:5002/webui ，出现Web Console 图形化控制台

这里可以看到所有run在主网上的节点信息，和本地节点相关的配置数据。

三、IPFS 项目实践

利用 IPFS 构建一个去中心化、不可篡改的分布式Wiki系统

3.1 新建workplace

考虑到方便后期开源和推广，这边我是托管在github上，大家可以选择自己熟悉的代码托管服务，也可以克隆我的工程 -> ipfs-wiki-system，在其基础上进行你的二次开发，有任何问题，欢迎提交issue给我

mkdir workplace
cd workplace
git clone git@github.com:daijiale/ipfs-wiki-system.git


3.2 wiki系统搭建

cd workplace/ipfs-wiki-system/wiki-release
ll


可以看到如下文件：

• wiki-release
  • index.html //markdown模板渲染
  • navigation.md //导航markdown
  • index.md //首页markdown

大家可以参考ipfs-wiki Demo，根据自己的需求，通过markdown自定义不同的wiki内容和目录。

3.3 挂载本地节点

记住文件根目录的Hash值：QmV5ZVQxXURKPDcVDW8WjpLCiQYvNzg173XcB6rYFevoXm

3.4 发布到主网

ipfs daemon


https://ipfs.io/ipfs/QmV5ZVQxXURKPDcVDW8WjpLCiQYvNzg173XcB6rYFevoXm/#!index.md

3.5 发布到IPNS

由于ipfs的hash对应着一个不可变的内容，每次更新网站之后，website的hash都会变，旧的link不能访问到新的内容。

ipfs提供了ipns来解决更新的问题。

ipfs允许用户使用一个私有密钥来对哈希附加一个引用，使用一个公共密钥哈希（简称pubkeyhash）表示你的网站的最新版本。

具体操作是:

通过上述方式，就完成了website和一个固定的link的绑定：
QmPS5NRXPCeAUtofKbW7c58Qm4PpM8mPEVJvaooE13LF78

3.6 绑定验证

ipfs name resolve QmPS5NRXPCeAUtofKbW7c58Qm4PpM8mPEVJvaooE13LF78
/ipfs/QmV5ZVQxXURKPDcVDW8WjpLCiQYvNzg173XcB6rYFevoXm


IPNS访问固定节点Hash：

https://ipfs.io/ipns/QmPS5NRXPCeAUtofKbW7c58Qm4PpM8mPEVJvaooE13LF78

验证成功，出现如下效果：

3.7 去中心化验证

以之前发布到主网的节点为第一节点，我们本地再新建一个节点，用以模拟第二节点的身份，打开Web Console：

在第二节点上，我们依然可以通过IPFS HASH查询到第一节点主网上的 ipfs-wiki-system目录文件数据

同时，我们也能看到：控制台显示记录了我们发布至主网数据的区块节点数已经扩散至275个。

也就是说，来自另外全球其他274地方的个体，在自己的&＃8221;记账本&＃8221;中记下了你之前发布的数据，哪怕其中个别服务器宕机（天灾人祸，挖断电缆，世界末日等等），只要有一个节点安好，你的数据都不会丢失，真正意义实现了去中心化的服务机制。

四、项目体验

-> 传送门

参考文献

本文部分内容参考如下文献，特别鸣谢

• 如何使用星际文件传输网络（IPFS）搭建区块链服务-黎跃春
• Youtube实验室
• protocol协议实验室
• Filecoin早期旷工计划
• IPFS开发英文官方文档
• IPFS——它能取代HTTP协议？
• IPFS—http的终极杀手