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[区块链]冲向星际的下一代互联网协议IPFS

1 什么是IPFS

IPFS的全称是星际文件系统(InterPlanetary File System)，它是一个点对点的分布式文件系统，通过底层协议用户可以在这个网络里上传文件并下载文件。它将区块链技术与互联网进行了完美的融合，可以让我们的互联网速度更快, 更加安全, 并且更加开放。 IPFS协议的目标是取代传统的互联网协议HTTP。

IPFS与云存储的区别

IPFS看上去可能和云储存有点相似，都是分布式存储。但是二者内在逻辑完全不同。云储存通常是由云服务厂商提供，存储提供方与使用方是一对多的模式。IPFS则是点对点，存储做到了去中心化，存储提供方与使用方是多对多的模式，并且由于数据是加密存储，因此数据也不会被云服务厂商盗用。

2 为什么有IPFS

互联网是建立在HTTP协议上的，但发展到了今天HTTP逐渐显示出不足。

HTTP的中心化是低效的, 并且成本很高

使用HTTP协议每次需要从中心化的服务器下载完整的文件(网页, 视频, 图片等)，速度慢，效率低。如果改用P2P的方式下载,可以节省近60%的带宽。P2P将文件分割为小的块, 从多个服务器同时下载，速度非常快。

Web文件经常被删除

http的页面平均生存周期大约只有100天。Web文件经常被删除(由于存储成本太高), 无法永久保存。IPFS提供了文件的历史版本回溯功能(就像git版本控制工具一样), 可以很容易的查看文件的历史版本, 数据可以得到永久保存。

中心化限制了web的成长

互联网是一个高度中心化的网络，DDOS等黑客攻击对互联网的功能造成了严重威胁, 分布式的IPFS可以克服这些缺点。

互联网应用高度依赖主干网

IPFS将内容分发到边缘端，可以极大地降低互联网应用对主干网的依赖。

3 IPFS的目标

IPFS不仅仅是为了加速web，而是为了最终取代HTTP协议, 使互联网更加美好。

4 IPFS包含哪些内容

IPFS是一个协议，类似http协议

定义了基于内容的寻址文件系统
内容分发
使用的技术分布式哈希、p2p传输、版本管理系统

IPFS是一个文件系统

有文件夹和文件
可挂载文件系统

IPFS是一个web协议

可以像http那样查看互联网页面
未来浏览器可以直接支持 ipfs:/ 或者 fs:/ 协议

IPFS是模块化的协议

连接层：通过其他任何网络协议连接
路由层：寻找定位文件所在位置
数据块交换：采用BitTorrent技术

IPFS是一个p2p系统

世界范围内的p2p文件传输网络
分布式网络结构
没有单点失效问题

IPFS天生是一个CDN

文件添加到IPFS网络，将会在全世界进行CDN加速
bittorrent的带宽管理

IPFS拥有命名服务

IPNS：基于SFS（自认证系统）命名体系
可以和现有域名系统绑定

5 IPFS与Filecoin

行业内很多人将IPFS等同于Filecoin，实际上两者有严格区分，PFS是非区块链项目，Filecoin是区块链项目，二者都可以独立存在。

为激励云服务厂商、IDC资源提供商以及其他投资者提供高性能、高稳定的服务器加入到IPFS网络中，Filecoin作为激励代币而诞生。资源提供方（矿工）通过为客户提供数据存储和检索来获得原生代币，存储方（客户）需要支付Filecoin作为存储、分发和检索数据费用。

Filecoin不是无限量发行的，发行总量20亿，其中70%即14亿枚用于奖励贡献者，每6年减半。

6 IPFS开发入门

6.1 部署私有IPFS

6.1.1 环境准备

系统要求

至少需要2G内存，2 核 CPU。

实验环境

共计两个节点，192.168.159.102、192.168.159.103，系统采用centos7

环境准备后，按照如下步骤部署ipfs，每个节点都要部署。

6.1.2 配置 golang 环境

下载go

$ cd /home
$ wget https://golang.google.cn/dl/go1.17.1.linux-amd64.tar.gz
$ tar -zxvf go1.17.1.linux-amd64.tar.gz -C /usr/local

配置 golang 环境变量

$ vim /etc/profile
文件末尾追加
# golang env
export GOROOT=/usr/local/go
export GOPATH=/data/gopath
export PATH=$PATH:$GOROOT/bin:$GOPATH/bin
 
$ source /etc/profile

# 创建工作目录：
$ mkdir -p /data/gopath && cd /data/gopath
$ mkdir -p src pkg bin

6.1.3 IPFS部署

所有节点上都需要部署ipfs：

1、安装

# 下载
$ cd /home
$ wget https://download.fastgit.org/ipfs/go-ipfs/releases/download/v0.9.1/go-ipfs_v0.9.1_linux-amd64.tar.gz
# 解压缩
$ tar xvfz go-ipfs_v0.9.1_linux-amd64.tar.gz
# 安装
$ cd go-ipfs/
$ ./install.sh

2、指定IPFS的存储位置

$ export IPFS_PATH="/opt/ipfs"

3、初始化

$ ipfs init

该操作执行后，默认会在/root/目录下生成一个隐藏目录.ipfs，作为ipfs的local存储。可用ls -a 查看。如果输出以下代码则表示初始化成功了：

generating ED25519 keypair...done
peer identity: 12D3KooWPVtCiwDTbf8L8B5pV5PWpW1C4yfzAZaqZpjz3pyzMEig
initializing IPFS node at /opt/ipfs
to get started, enter:

        ipfs cat /ipfs/QmQPeNsJPyVWPFDVHb77w8G42Fvo15z4bG2X8D2GhfbSXc/readme

6.1.4 生成共享key

1、生成Key

选择任意一个节点执行以下操作：

1）下载key生成工具

$ git clone https://hub.fastgit.org/Kubuxu/go-ipfs-swarm-key-gen.git

2）编译go-ipfs-swarm-key-gen

$ go build -o ipfs-swarm-key-gen go-ipfs-swarm-key-gen/ipfs-swarm-key-gen/main.go

3）此时在当前目录下会成一个ipfs-swarm-key-gen的可执行二进制文件。我们使用该文件来生成一个swarm.key文件

$ ./ipfs-swarm-key-gen > swarm.key

2、将生成的swarm.key文件传输到所有节点的 ~/.ipfs/文件夹内。

102上：

$  cp swarm.key  ~/.ipfs/

103上：

$  scp root@192.168.159.102:~/.ipfs/swarm.key ~/.ipfs

6.1.5 添加网络节点

所有节点上都移除默认的IPFS节点（此为私有化的关键步骤）：

$ ipfs bootstrap rm all

查看节点ID：

$ ipfs id

系统会输出以下内容，记住ID部分：

# 102
{
        "ID": "12D3KooWP4avEe4hX3XVsbaWMHHuTZcXP5A5kCUf91BhRd9yy1Zb",
        "PublicKey": "CAESIMTMekjuLE276A/3lr++zJqDGzkOYDqJulm6+VyEqVGi",
        "Addresses": null,
        "AgentVersion": "go-ipfs/0.9.1/",
        "ProtocolVersion": "ipfs/0.1.0",
        "Protocols": null
}
# 103
{
        "ID": "12D3KooWDQL6EigoCsx6EjM4mSpz7Vqq9RHCZzPoshVFS8bdxrXh",
        "PublicKey": "CAESIDVGdYIAdJfI6eZ6mAbrJo8RNn4baXsR4Wb1GZsc6Ocw",
        "Addresses": null,
        "AgentVersion": "go-ipfs/0.9.1/",
        "ProtocolVersion": "ipfs/0.1.0",
        "Protocols": null
}

在102服务器上添加103：

$ ipfs bootstrap add /ip4/192.168.159.103/tcp/4001/ipfs/12D3KooWDQL6EigoCsx6EjM4mSpz7Vqq9RHCZzPoshVFS8bdxrXh

在103服务器上添加102：

$ ipfs bootstrap add /ip4/192.168.159.102/tcp/4001/ipfs/12D3KooWP4avEe4hX3XVsbaWMHHuTZcXP5A5kCUf91BhRd9yy1Zb

6.1.6 启动IPFS

所有的节点都添加完毕后使用命令启动IPFS，显示如下输出说明启动成功，配置文件没有问题。

$ nohup ipfs daemon > ipfs.log 2>&1 & 
......
API server listening on /ip4/127.0.0.1/tcp/5001
WebUI: http://127.0.0.1:5001/webui
Gateway (readonly) server listening on /ip4/127.0.0.1/tcp/8080
Daemon is ready

IPFS Daemon启动过程包含8个步骤：

检查是否已经初始化
打开初始化根目录 /.ipfs
读取配置
根据配置生成一个新节点
连接到IPFS网络
开启IPFS API服务
开启Gateway网关服务
输出IPFS Daemon ready

网络启动后，可以测试网络的连通性，使用如下命令查看IPFS连接了多少节点：

$ ipfs stats bitswap
 bitswap status
        provides buffer: 0 / 256
        blocks received: 0
        blocks sent: 0
        data received: 0
        data sent: 0
        dup blocks received: 0
        dup data received: 0
        wantlist [0 keys]
        partners [1]

其中partners就是连接到的节点数量，因为我们现在只有两个节点，所以partners是1。

6.1.7 测试文本传输

在102新建一个文本文件：

$ echo "hello world" >> test.txt

将其添加到ipfs网络：

$ ipfs add test.txt

输出以下字符就说明文件已经上传上去了：

added QmT78zSuBmuS4z925WZfrqQ1qHaJ56DQaTfyMUF7F8ff5o test.txt
 12 B / 12 B [==================================================================================================================] 100.00%

查看文件：

$ ipfs cat QmT78zSuBmuS4z925WZfrqQ1qHaJ56DQaTfyMUF7F8ff5o

在子节点重复上面的操作，输出都是hello world说明私有网络已经联通。

6.2 架构说明

6.2.1 IPFS 总体架构图

在这里插入图片描述

6.2.2 CLI、HTTP-API架构图

在这里插入图片描述

6.3 Spingboot使用IPFS上传、下载文件

1、pom文件引入相应的jar包

  <repositories>
    <repository>
        <id>jitpack.io</id>
        <url>https://jitpack.io</url>
    </repository>
  </repositories>

  <dependencies>
    <dependency>
      <groupId>com.github.ipfs</groupId>
      <artifactId>java-ipfs-http-client</artifactId>
      <version>v1.3.3</version>
    </dependency>
  </dependencies>

2、读取文件

	/**
	 * @param id
	 *            文件的hash值
	 * @return 文件内容
	 * */
	@RequestMapping("/{id}")
	public String getFileContent(@PathVariable String id) {
		String content = null;
		// 连接任一节点（本例中连的不是文件上传的节点）
		IPFS ipfs = new IPFS("/ip4/192.168.159.103/tcp/5001");
		Multihash filePointer = Multihash.fromBase58(id);
		try {
			// 获取文件内容
			byte[] fileContents = ipfs.cat(filePointer);
			content = new String(fileContents);

		} catch (IOException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		return content;
	}

验证：（读取部署时上传验证的文件）
在这里插入图片描述

3、上传文件

   /**
	 * @param fileName
	 *            文件名
	 * @param content
	 *            文件内容
	 * @return 文件的hash值
	 * */
	@PostMapping("/upload")
	public String uploadFile(@RequestParam("fileName") String fileName,
			@RequestParam("content") String content) {
		String hash = null;

		try {
			// 连接
			IPFS ipfs = new IPFS("/ip4/192.168.159.102/tcp/5001");
			NamedStreamable.ByteArrayWrapper file = new NamedStreamable.ByteArrayWrapper(
					fileName, content.getBytes());
			MerkleNode addResult = ipfs.add(file).get(0);
			hash = addResult.hash.toString();
		} catch (IOException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		return hash;
	}

验证：
在这里插入图片描述

服务器上查看：
在这里插入图片描述

6.4 相关开源代码

组件	代码	开发语言
IPFS项目	https://hub.fastgit.org/ipfs/ipfs
IPFS Go版本	https://hub.fastgit.org/go-ipfs	go
IPFS 前端	https://hub.fastgit.org/ipfs/ipfs-webui	js
IPFS API	https://hub.fastgit.org/ipfs/go-ipfs-api	go
客户端	https://hub.fastgit.org/ipfs/ipfs-desktop	js