24、IPFS：星际文件系统的探索与实践

IPFS：星际文件系统的探索与实践

1. IPFS基础与S/Kademlia算法

IPFS（InterPlanetary File System）使用了S/Kademlia，它是Kademlia算法的扩展版本。与原始的Kademlia算法不同，S/Kademlia有一些安全要求。并非所有节点加入Kademlia分布式哈希表都有正当目的，因此在S/Kademlia中，生成节点ID时，要求节点生成一个加密密钥对，这使得篡改节点之间的通信变得非常困难。此外，在节点能够生成其ID之前，还需要使用工作量证明（类似于比特币和以太坊）。同时，路由算法也进行了一些调整，以确保节点在存在恶意节点（如向网络发送垃圾信息的节点）的情况下仍能与其他节点进行通信。

IPFS的数据结构基于Merkle树，具体为Merkle有向无环图（DAG）。Merkle树提供了一种简单的方法来检查部分数据的完整性，而Merkle DAG则用于保存包含文件的目录，并保留文件名。在Kademlia分布式哈希表的点对点网络方面，节点之间的距离基于异或（XOR）距离，节点被存储在对应于位寻址的桶中，节点可以通过在桶之间跳跃来查找其他节点。

2. 使用Python与IPFS进行编程交互

2.1 安装IPFS软件及其库

目前，IPFS只有两种实现：用Go语言编写的go - ipfs和用JavaScript编写的js - ipfs，尚无Python实现。由于Go实现更受欢迎，我们选择使用它。
1. 下载软件 ：访问https://dist.ipfs.io/#go - ipfs，下载适合你平台的软件。以Ubuntu Linux为例，下载的文件名为go - ipfs_v0.4.18_linux - amd64.tar.gz。
2. 解压文件 ：使用以下命令解压：

$ tar xvfz go - ipfs_v0.4.18_linux - amd64.tar.gz

3. 安装二进制文件 ：

$ cd go - ipfs
$ sudo ./install.sh

4. 设置环境变量（可选） ：

$ export IPFS_PATH=/path/to/ipfsrepo

你可以将此语句存储在~/.bashrc中。默认情况下（不设置此环境变量），IPFS将使用~/.ipfs（主目录中的.ipfs目录）来存储数据。
5. 初始化本地存储库 ：

$ ipfs init

如果你在云端（如亚马逊网络服务、谷歌云平台、数字海洋或Azure）运行IPFS，应使用服务器配置文件标志：

$ ipfs init --profile server

否则，你可能会收到云服务提供商的警告，因为默认情况下（不使用服务器配置文件标志），IPFS守护进程的行为类似于端口扫描。
6. 启动守护进程 ：

$ ipfs daemon

默认情况下，API服务器监听端口5001，我们将通过此端口以编程方式与IPFS进行交互；网关服务器监听端口8080，用于从IPFS点对点文件系统下载文件；Swarm默认监听端口4001，供其他节点从我们的存储中下载文件。这些端口都可以更改。IPFS还有一个仪表盘，可通过http://localhost:5001/webui访问。

2.2 安装IPFS Python库

打开一个新的终端，运行以下命令：

$ virtualenv -p python3.6 ipfs - venv
$ source ipfs - venv/bin/activate
(ipfs - venv) $ pip install ipfsapi

之前，IPFS的Python库名为py - ipfs - api，现在已更名为ipfsapi。

2.3 内容哈希与文件操作

2.3.1 下载图片示例

在IPFS快速入门文档中，首先会教你下载一张可爱的猫图片。可以使用以下代码：

$ ipfs cat /ipfs/QmW2WQi7j6c7UgJTarActp7tDNikE4B2qXtFCfLPdsgaTQ/cat.jpg > cat.jpg
$ eog cat.jpg

其中，eog是Ubuntu中的图像查看器。我们也可以使用Python脚本以编程方式下载该图像：

import ipfsapi
c = ipfsapi.connect()
cute_cat_picture = 'QmW2WQi7j6c7UgJTarActp7tDNikE4B2qXtFCfLPdsgaTQ/cat.jpg'
c.get(cute_cat_picture)

此脚本将图像保存为cat.jpg。我们还可以下载包含该图片的目录：

import ipfsapi
c = ipfsapi.connect()
directory = 'QmW2WQi7j6c7UgJTarActp7tDNikE4B2qXtFCfLPdsgaTQ'
c.get(directory)

执行此脚本后，会在当前目录下创建一个名为QmW2WQi7j6c7UgJTarActp7tDNikE4B2qXtFCfLPdsgaTQ的目录，其中包含猫图片文件。

2.3.2 ipfsapi库的使用

• 导入库并连接 ：

import ipfsapi
c = ipfsapi.connect()

connect 方法接受一些参数，最重要的两个参数是 host 和 port ，例如：

c = ipfsapi.connect(host="ipfshost.net", port=5001)

默认情况下，连接到本地主机的端口5001。
- get和cat方法 ： get 方法用于下载文件， cat 方法用于获取文件内容。例如，使用 cat 方法获取猫图片内容的脚本如下：

import ipfsapi
c = ipfsapi.connect()
result = c.cat('QmW2WQi7j6c7UgJTarActp7tDNikE4B2qXtFCfLPdsgaTQ/cat.jpg')
with open('cat.jpg', 'wb') as f:
    f.write(result)

cat 方法返回文件内容的字节对象，它接受两个可选参数 offset 和 length ，分别表示开始获取内容的起始位置和要获取的内容长度，这对于构建具有暂停和恢复功能的下载管理器或视频流播放器非常重要。

2.3.3 添加文件到IPFS

首先创建一个简单的文件 hello.txt ，内容为：

I am a good unicorn.

确保字符串后面有一个新行。然后使用以下脚本将文件添加到IPFS：

import ipfsapi
c = ipfsapi.connect()
result = c.add('hello.txt')
print(result)

执行此脚本将输出文件的相关信息，例如：

{'Name': 'hello.txt', 'Hash': 'QmY7MiYeySnsed1Z3KxqDVYuM8pfiT5gGTqprNaNhUpZgR', 'Size': '29'}

我们可以使用 cat 或 get 方法检索文件内容，例如使用 cat 方法的脚本：

import ipfsapi
c = ipfsapi.connect()
result = c.cat('QmY7MiYeySnsed1Z3KxqDVYuM8pfiT5gGTqprNaNhUpZgR')
print(result)

运行此脚本将输出文件内容：

b'I am a good unicorn.\n'

2.4 Protobuf的使用

在将数据传递给IPFS之前，需要将数据包装在一个数据结构中。我们可以通过以下步骤了解和使用Protobuf：
1. 安装Protobuf编译器 ：

$ sudo apt - get install protobuf - compiler

检查编译器版本：

$ protoc --version

2. 安装Python Protobuf库 ：

(ipfs - venv) $ pip install protobuf

3. 创建数据结构格式文件 ：创建一个名为 crypto.proto 的文件，内容如下：

syntax = "proto2";
package crypto;
message CryptoCurrency {
  required string name = 1;
  optional int32 total_supply = 2;
  enum CryptoType {
    BITCOIN = 0;
    ERC20 = 1;
    PRIVATE = 2;
  }
  required CryptoType type = 3 [default = ERC20];
}

4. 将.proto文件转换为Python模块文件 ：

$ protoc crypto.proto --python_out=.

这将生成 crypto_pb2.py 文件。
5. 测试序列化和反序列化过程 ：创建一个名为 serialize_crypto_data.py 的脚本：

import crypto_pb2
cryptocurrency = crypto_pb2.CryptoCurrency()
cryptocurrency.name = 'Bitcoin Cash'
cryptocurrency.total_supply = 21000000
cryptocurrency.type = crypto_pb2.CryptoCurrency.BITCOIN
serialized_data = cryptocurrency.SerializeToString()
print(serialized_data)
cryptocurrency2 = crypto_pb2.CryptoCurrency()
cryptocurrency2.ParseFromString(serialized_data)
print(cryptocurrency2)

执行此脚本将输出序列化和反序列化的结果。

2.5 解析IPFS中的数据块

我们之前添加的 hello.txt 文件在IPFS中的数据块可以通过以下脚本查看：

import ipfsapi
c = ipfsapi.connect()
result = c.block_get('QmY7MiYeySnsed1Z3KxqDVYuM8pfiT5gGTqprNaNhUpZgR')
print(result)

运行此脚本将输出类似 b'\n\x1b\x08\x02\x12\x15I am a good unicorn.\n\x18\x15' 的结果，这是IPFS中数据节点的数据结构。为了解析这个序列化数据，我们需要获取相关的 .proto 文件，即 unixfs.proto 和 merkledag.proto ，可以从以下链接下载：
- unixfs.proto ：https://github.com/ipfs/go - unixfs/blob/master/pb/unixfs.proto
- merkledag.proto ：https://github.com/ipfs/go - merkledag/blob/master/pb/merkledag.proto

unixfs.proto 文件内容如下：

syntax = "proto2";
package unixfs.pb;
message Data {
    enum DataType {
        Raw = 0;
        Directory = 1;
        File = 2;
        Metadata = 3;
        Symlink = 4;
        HAMTShard = 5;
    }
    required DataType Type = 1;
    optional bytes Data = 2;
    optional uint64 filesize = 3;
    repeated uint64 blocksizes = 4;
    optional uint64 hashType = 5;
    optional uint64 fanout = 6;
}
message Metadata {
    optional string MimeType = 1;
}

merkledag.proto 文件部分内容如下：

package merkledag.pb;
import "code.google.com/p/gogoprotobuf/gogoproto/gogo.proto";
option (gogoproto.gostring_all) = true;
option (gogoproto.equal_all) = true;
option (gogoproto.verbose_equal_all) = true;
option (gogoproto.goproto_stringer_all) = false;
option (gogoproto.stringer_all) =  true;
option (gogoproto.populate_all) = true;
option (gogoproto.testgen_all) = true;
option (gogoproto.benchgen_all) = true;
option (gogoproto.marshaler_all) = true;
option (gogoproto.sizer_all) = true;
option (gogoproto.unmarshaler_all) = true;
// An IPFS MerkleDAG Node
message PBNode {
  // refs to other objects
  repeated PBLink Links = 2;
  // opaque user data
  optional bytes Data = 1;
}

为了简化过程，需要从 merkledag.proto 文件中删除一些行，然后使用以下命令编译两个 .proto 文件：

$ protoc unixfs.proto merkledag.proto --python_out=.

这将生成 unixfs_pb2.py 和 merkledag_pb2.py 文件。最后，使用以下脚本解析数据块：

import unixfs_pb2
import merkledag_pb2
outer_node = merkledag_pb2.PBNode()
outer_node.ParseFromString(b'\n\x1b\x08\x02\x12\x15I am a good unicorn.\n\x18\x15')
print(outer_node)
unicorn = unixfs_pb2.Data()
unicorn.ParseFromString(outer_node.Data)
print(unicorn)

运行此脚本将输出解析后的结果，例如：

Data: "\010\002\022\025I am a good unicorn.\n\030\025"
Type: File
Data: "I am a good unicorn.\n"
filesize: 21

操作步骤总结

操作	步骤
安装IPFS软件	1. 下载对应平台软件；2. 解压文件；3. 安装二进制文件；4. 可选设置环境变量；5. 初始化本地存储库；6. 启动守护进程
安装IPFS Python库	1. 创建虚拟环境；2. 激活虚拟环境；3. 使用pip安装ipfsapi
下载文件	1. 使用命令行或Python脚本；2. 了解get和cat方法的使用
添加文件	1. 创建文件；2. 使用脚本将文件添加到IPFS
使用Protobuf	1. 安装编译器和Python库；2. 创建数据结构格式文件；3. 编译为Python模块文件；4. 测试序列化和反序列化
解析数据块	1. 获取相关 .proto 文件；2. 编译 .proto 文件；3. 使用脚本解析数据块

操作流程mermaid图

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B(安装IPFS软件):::process
    B --> C(安装IPFS Python库):::process
    C --> D{选择操作}:::decision
    D -->|下载文件| E(使用命令行或脚本下载):::process
    D -->|添加文件| F(创建文件并添加到IPFS):::process
    D -->|使用Protobuf| G(安装并测试Protobuf):::process
    D -->|解析数据块| H(获取并编译.proto文件，解析数据):::process
    E --> I([结束]):::startend
    F --> I
    G --> I
    H --> I

通过以上步骤，我们可以深入了解IPFS的基本原理，并使用Python与IPFS进行编程交互，实现文件的下载、添加以及数据的解析等操作。在实际应用中，我们可以根据具体需求进一步扩展和优化这些操作。

3. 进一步探索IPFS的功能

3.1 托管可变文件

在IPFS中，托管可变文件是一个重要的功能。虽然IPFS本质上是基于内容寻址的，文件的哈希值一旦确定就不可变，但我们可以通过一些方法来实现可变文件的托管。

3.1.1 基本原理

通过使用Mutable File System (MFS)，我们可以实现对文件的修改和更新。MFS允许我们在IPFS之上创建一个类似传统文件系统的结构，其中的文件可以被修改和管理。

3.1.2 操作步骤

1. 连接到IPFS ：

import ipfsapi
c = ipfsapi.connect()

2. 创建或修改文件 ：

# 创建一个新文件
result = c.files_write('/myfile.txt', b'Hello, IPFS!', create=True)
# 修改文件内容
result = c.files_write('/myfile.txt', b'Updated content!', truncate=True)

3. 查看文件内容 ：

content = c.files_read('/myfile.txt')
print(content)

3.2 订阅和发布主题

IPFS支持通过发布和订阅主题来实现消息传递和通信。这可以用于构建分布式应用程序，实现节点之间的实时通信。

3.2.1 订阅主题

import ipfsapi
import time

c = ipfsapi.connect()

def handle_message(message):
    print(f"Received message: {message}")

c.pubsub_sub('my_topic', handler=handle_message)

while True:
    time.sleep(1)

3.2.2 发布主题

import ipfsapi

c = ipfsapi.connect()

message = 'This is a test message.'
c.pubsub_pub('my_topic', message)

3.3 复制文件到MFS

将文件复制到MFS可以方便我们对文件进行管理和操作。

3.3.1 操作步骤

1. 连接到IPFS ：

import ipfsapi
c = ipfsapi.connect()

2. 复制文件 ：

# 假设我们有一个文件的哈希值
file_hash = 'QmSomeHash'
c.files_cp(f'/ipfs/{file_hash}', '/mfs/my_copied_file.txt')

3. 验证文件是否复制成功 ：

try:
    content = c.files_read('/mfs/my_copied_file.txt')
    print("File copied successfully!")
except Exception as e:
    print(f"Error: {e}")

### 4. IPFS的安全与隐私考虑

#### 4.1 安全方面
- **节点身份验证**：S/Kademlia算法要求节点生成加密密钥对来生成节点ID，这增加了节点身份的安全性，使得篡改节点之间的通信变得困难。
- **工作量证明**：在节点生成ID之前使用工作量证明，类似于比特币和以太坊，这可以防止恶意节点轻易加入网络。

#### 4.2 隐私方面
目前，IPFS的隐私功能仍处于发展初期。在IPFS的仪表盘上，我们可以看到节点的分布和IP地址，这可能会引起一些隐私方面的担忧。在实际应用中，如果需要保护节点的隐私，可能需要进一步的技术和措施。

### 5. 总结与展望

### 5.1 总结
通过本文的介绍，我们深入了解了IPFS的基本原理和使用方法。从S/Kademlia算法的安全特性，到Merkle DAG的数据结构，再到使用Python与IPFS进行编程交互，我们学习了如何下载文件、添加文件、托管可变文件、订阅和发布主题以及复制文件到MFS等操作。同时，我们也了解了IPFS在安全和隐私方面的考虑。

### 5.2 展望
IPFS作为一种新兴的分布式文件系统，具有巨大的潜力。在未来，我们可以期待看到更多基于IPFS的应用和创新，例如分布式存储、去中心化应用程序、数据共享等。同时，随着隐私技术的不断发展，IPFS的隐私功能也将得到进一步的完善。

### 操作步骤总结
|操作|步骤|
| ---- | ---- |
|托管可变文件|1. 连接到IPFS；2. 创建或修改文件；3. 查看文件内容|
|订阅和发布主题|订阅：1. 连接到IPFS；2. 定义消息处理函数；3. 订阅主题。发布：1. 连接到IPFS；2. 发布消息|
|复制文件到MFS|1. 连接到IPFS；2. 复制文件；3. 验证文件是否复制成功|

### 操作流程mermaid图
```mermaid
graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B(连接到IPFS):::process
    B --> C{选择操作}:::decision
    C -->|托管可变文件| D(创建或修改文件，查看内容):::process
    C -->|订阅和发布主题| E(订阅或发布消息):::process
    C -->|复制文件到MFS| F(复制文件并验证):::process
    D --> G([结束]):::startend
    E --> G
    F --> G

通过以上的总结和展望，我们可以更好地理解IPFS的现状和未来发展方向，为进一步探索和应用IPFS提供参考。在实际应用中，我们可以根据具体需求选择合适的功能和操作，充分发挥IPFS的优势。