28、使用IPFS实现去中心化视频应用

使用IPFS实现去中心化视频应用

在当今数字化时代，去中心化应用正逐渐展现出巨大的潜力。本文将详细介绍如何使用IPFS（InterPlanetary File System）实现一个去中心化的视频共享应用，涵盖从智能合约测试、私有以太坊区块链搭建、数据加载脚本创建到前端Web应用构建的全流程。

1. 智能合约测试

当用户对特定账户的视频进行点赞操作时，点赞者的代币余额会减少一个，而视频上传者的代币余额会增加一个，同时视频的总点赞数也会加1。要确保点赞视频的事件被触发，并且同一用户不能对同一视频多次点赞。测试ERC20部分的智能合约可运行以下命令：

(videos-venv) $ py.test tests/test_videos_sharing.py

2. 启动私有以太坊区块链

使用 geth 启动私有以太坊区块链，由于稳定版的Ganache尚不支持事件，因此这里不使用它。具体操作步骤如下：
1. 切换到项目目录并创建新的区块链：

(videos-venv) $ cd videos_sharing_smart_contract
(videos-venv) $ populus chain new localblock
(videos-venv) $ ./chains/localblock/init_chain.sh

2. 编辑 chains/localblock/run_chain.sh 文件，将 --ipcpath 的值改为 /tmp/geth.ipc 。
3. 编辑 project.json 文件，在 chains 对象中添加 localblock 键：

"localblock": {
    "chain": {
        "class": "populus.chain.ExternalChain"
    },
    "web3": {
        "provider": {
            "class": "web3.providers.ipc.IPCProvider",
            "settings": {
                "ipc_path": "/tmp/geth.ipc"
            }
        }
    },
    "contracts": {
        "backends": {
            "JSONFile": {"$ref": "contracts.backends.JSONFile"},
            "ProjectContracts": {
                "$ref": "contracts.backends.ProjectContracts"
            }
        }
    }
}

4. 运行区块链：

(videos-venv) $ ./chains/localblock/run_chain.sh

5. 编译智能合约：

(videos-venv) $ populus compile

6. 将智能合约部署到私有区块链：

(videos-venv) $ populus deploy --chain localblock VideosSharing

7. 将智能合约的部署地址写入 address.txt 文件，该文件需与 videos_sharing_smart_contract 目录相邻。

3. 创建数据加载脚本

为了方便应用开发，创建一个 bootstrap_videos.py 脚本用于加载数据。具体步骤如下：
1. 从 https://videos.pexels.com/ 下载免费视频，创建 stock_videos 目录并将MP4文件下载到该目录。
2. 创建 bootstrap_videos.py 脚本，完整代码可参考 此处 。以下是脚本的详细解释：

import os, json
import ipfsapi
from web3 import Web3, IPCProvider
from populus.utils.wait import wait_for_transaction_receipt

w3 = Web3(IPCProvider('/tmp/geth.ipc'))
common_password = 'bitcoin123'
accounts = []

# 创建新账户
with open('accounts.txt', 'w') as f:
    for i in range(4):
        account = w3.personal.newAccount(common_password)
        accounts.append(account)
        f.write(account + "\n")

# 加载智能合约地址和ABI
with open('address.txt', 'r') as f:
    address = f.read().rstrip("\n")
with open('videos_sharing_smart_contract/build/contracts.json') as f:
    contract = json.load(f)
    abi = contract['VideosSharing']['abi']

VideosSharing = w3.eth.contract(address=address, abi=abi)
c = ipfsapi.connect()

# 转移以太币
coinbase = w3.eth.accounts[0]
coinbase_password = 'this-is-not-a-secure-password'
for destination in accounts:
    nonce = w3.eth.getTransactionCount(Web3.toChecksumAddress(coinbase))
    txn = {
        'from': coinbase,
        'to': Web3.toChecksumAddress(destination),
        'value': w3.toWei('100', 'ether'),
        'gas': 70000,
        'gasPrice': w3.toWei('1', 'gwei'),
        'nonce': nonce
    }
    txn_hash = w3.personal.sendTransaction(txn, coinbase_password)
    wait_for_transaction_receipt(w3, txn_hash)

# 转移ERC20代币
for destination in accounts:
    nonce = w3.eth.getTransactionCount(coinbase)
    txn = VideosSharing.functions.transfer(destination, 100).buildTransaction({
        'from': coinbase,
        'gas': 70000,
        'gasPrice': w3.toWei('1', 'gwei'),
        'nonce': nonce
    })
    txn_hash = w3.personal.sendTransaction(txn, coinbase_password)
    wait_for_transaction_receipt(w3, txn_hash)

# 上传视频
directory = 'stock_videos'
movies = os.listdir(directory)
length_of_movies = len(movies)
for index, movie in enumerate(movies):
    account = accounts[index//7]
    ipfs_add = c.add(directory + '/' + movie)
    ipfs_path = ipfs_add['Hash'].encode('utf-8')
    title = movie.rstrip('.mp4')[:20].encode('utf-8')
    nonce = w3.eth.getTransactionCount(Web3.toChecksumAddress(account))
    txn = VideosSharing.functions.upload_video(ipfs_path, title).buildTransaction({
        'from': account,
        'gas': 200000,
        'gasPrice': w3.toWei('30', 'gwei'),
        'nonce': nonce
    })
    txn_hash = w3.personal.sendTransaction(txn, common_password)
    wait_for_transaction_receipt(w3, txn_hash)

脚本执行前准备

1. 启动私有区块链和IPFS守护进程：

$ ipfs daemon

2. 在虚拟环境中安装IPFS Python库：

(videos-venv) $ pip install ipfsapi

3. 运行数据加载脚本：

(videos-venv) $ python bootstrap_videos.py

脚本执行结果验证

创建 check_bootstrap.py 脚本验证数据加载是否成功：

import json
from web3 import Web3, IPCProvider

w3 = Web3(IPCProvider('/tmp/geth.ipc'))
with open('accounts.txt', 'r') as f:
    account = f.readline().rstrip("\n")
with open('address.txt', 'r') as f:
    address = f.read().rstrip("\n")
with open('videos_sharing_smart_contract/build/contracts.json') as f:
    contract = json.load(f)
    abi = contract['VideosSharing']['abi']

VideosSharing = w3.eth.contract(address=address, abi=abi)
print(VideosSharing.functions.latest_videos_index(account).call())

运行脚本，如果输出为0，则数据加载失败；若输出不为0，则视频信息已成功上传到区块链。

4. 构建视频共享Web应用

使用Django库构建前端Web应用，具体步骤如下：

4.1 安装依赖库

(videos-venv) $ pip install Django
(videos-venv) $ pip install opencv-python

4.2 创建Django项目和应用

1. 创建Django项目目录：

(videos-venv) $ django-admin startproject decentralized_videos

2. 在项目目录下创建静态媒体目录：

(videos-venv) $ cd decentralized_videos
(videos-venv) $ mkdir static media

3. 创建名为 videos 的Django应用：

(videos-venv) $ python manage.py startapp videos

4.3 配置Django项目

编辑 decentralized_videos/settings.py 文件，添加 videos 应用到 INSTALLED_APPS 变量，并添加以下代码：

INSTALLED_APPS = [
    'django.contrib.admin',
    'django.contrib.auth',
    'django.contrib.contenttypes',
    'django.contrib.sessions',
    'django.contrib.messages',
    'django.contrib.staticfiles',
    'videos'
]

STATIC_URL = '/static/'
STATICFILES_DIRS = [
    os.path.join(BASE_DIR, "static"),
]
MEDIA_URL = '/media/'
MEDIA_ROOT = os.path.join(BASE_DIR, 'media')

4.4 创建视图文件

在 decentralized_videos/videos/views.py 文件中创建视图函数，完整代码可参考 此处 。以下是部分视图函数的解释：

from django.shortcuts import render, redirect
from videos.models import videos_sharing

def index(request):
    videos = videos_sharing.recent_videos()
    context = {'videos': videos}
    return render(request, 'videos/index.html', context)

def channel(request, video_user):
    videos = videos_sharing.get_videos(video_user)
    context = {'videos': videos, 'video_user': video_user}
    return render(request, 'videos/channel.html', context)

def video(request, video_user, index):
    video = videos_sharing.get_video(video_user, index)
    context = {'video': video}
    return render(request, 'videos/video.html', context)

def upload(request):
    context = {}
    if request.POST:
        video_user = request.POST['video_user']
        title = request.POST['title']
        video_file = request.FILES['video_file']
        password = request.POST['password']
        videos_sharing.upload_video(video_user, password, video_file, title)
        context['upload_success'] = True
    return render(request, 'videos/upload.html', context)

def like(request):
    video_user = request.POST['video_user']
    index = int(request.POST['index'])
    password = request.POST['password']
    video_liker = request.POST['video_liker']
    videos_sharing.like_video(video_liker, password, video_user, index)
    return redirect('video', video_user=video_user, index=index)

4.5 创建模型文件

在 decentralized_videos/videos/models.py 文件中创建 VideosSharing 类，完整代码可参考 此处 。以下是类的核心方法解释：

import os.path, json
import ipfsapi
import cv2
from web3 import Web3, IPCProvider
from populus.utils.wait import wait_for_transaction_receipt
from decentralized_videos.settings import STATICFILES_DIRS, STATIC_URL, BASE_DIR, MEDIA_ROOT

class VideosSharing:
    def __init__(self):
        self.w3 = Web3(IPCProvider('/tmp/geth.ipc'))
        with open('../address.txt', 'r') as f:
            address = f.read().rstrip("\n")
        with open('../videos_sharing_smart_contract/build/contracts.json') as f:
            contract = json.load(f)
            abi = contract['VideosSharing']['abi']
        self.SmartContract = self.w3.eth.contract(address=address, abi=abi)
        self.ipfs_con = ipfsapi.connect()

    def recent_videos(self, amount=20):
        events = self.SmartContract.events.UploadVideo.createFilter(fromBlock=0).get_all_entries()
        videos = []
        for event in events:
            video = {}
            video['user'] = event['args']['_user']
            video['index'] = event['args']['_index']
            video['path'] = self.get_video_path(video['user'], video['index'])
            video['title'] = self.get_video_title(video['user'], video['index'])
            video['thumbnail'] = self.get_video_thumbnail(video['path'])
            videos.append(video)
        videos.reverse()
        return videos[:amount]

    def get_videos(self, user, amount=20):
        latest_index = self.SmartContract.functions.latest_videos_index(user).call()
        i = 0
        videos = []
        while i < amount and i < latest_index:
            video = {}
            index = latest_index - i - 1
            video['user'] = user
            video['index'] = index
            video['path'] = self.get_video_path(user, index)
            video['title'] = self.get_video_title(user, index)
            video['thumbnail'] = self.get_video_thumbnail(video['path'])
            videos.append(video)
            i += 1
        return videos

    def get_video_path(self, user, index):
        return self.SmartContract.functions.videos_path(user, index).call().decode('utf-8')

    def get_video_title(self, user, index):
        return self.SmartContract.functions.videos_title(user, index).call().decode('utf-8')

    def get_video_thumbnail(self, ipfs_path):
        thumbnail_file = STATICFILES_DIRS[0] + '/' + ipfs_path + '.png'
        url_file = STATIC_URL + '/' + ipfs_path + '.png'
        if os.path.isfile(thumbnail_file):
            return url_file
        else:
            return "https://bulma.io/images/placeholders/640x480.png"

    def get_video(self, user, index):
        video = {}
        ipfs_path = self.get_video_path(user, index)
        video_title = self.get_video_title(user, index)
        video_file = STATICFILES_DIRS[0] + '/' + ipfs_path + '.mp4'
        thumbnail_file = STATICFILES_DIRS[0] + '/' + ipfs_path + '.png'
        video['title'] = video_title
        video['user'] = user
        video['index'] = index
        video['aggregate_likes'] = self.SmartContract.functions.video_aggregate_likes(user, index).call()
        if os.path.isfile(video_file):
            video['url'] = STATIC_URL + '/' + ipfs_path + '.mp4'
        else:
            self.ipfs_con.get(ipfs_path)
            os.rename(BASE_DIR + '/' + ipfs_path, STATICFILES_DIRS[0] + '/' + ipfs_path + '.mp4')
            video['url'] = STATIC_URL + '/' + ipfs_path + '.mp4'
        if not os.path.isfile(thumbnail_file):
            self.process_thumbnail(ipfs_path)
        return video

    def upload_video(self, video_user, password, video_file, title):
        video_path = MEDIA_ROOT + '/video.mp4'
        with open(video_path, 'wb+') as destination:
            for chunk in video_file.chunks():
                destination.write(chunk)
        ipfs_add = self.ipfs_con.add(video_path)
        ipfs_path = ipfs_add['Hash'].encode('utf-8')
        title = title[:20].encode('utf-8')
        nonce = self.w3.eth.getTransactionCount(Web3.toChecksumAddress(video_user))
        txn = self.SmartContract.functions.upload_video(ipfs_path, title).buildTransaction({
            'from': video_user,
            'gas': 200000,
            'gasPrice': self.w3.toWei('30', 'gwei'),
            'nonce': nonce
        })
        txn_hash = self.w3.personal.sendTransaction(txn, password)
        wait_for_transaction_receipt(self.w3, txn_hash)

    def process_thumbnail(self, ipfs_path):
        thumbnail_file = STATICFILES_DIRS[0] + '/' + ipfs_path + '.png'
        if not os.path.isfile(thumbnail_file):
            video_path = STATICFILES_DIRS[0] + '/' + ipfs_path + '.mp4'
            cap = cv2.VideoCapture(video_path)
            cap.set(cv2.CAP_PROP_POS_FRAMES, 0)
            _, frame = cap.read()
            cv2.imwrite(thumbnail_file, frame)

    def like_video(self, video_liker, password, video_user, index):
        if self.SmartContract.functions.video_has_been_liked(video_liker, video_user, index).call():
            return
        nonce = self.w3.eth.getTransactionCount(Web3.toChecksumAddress(video_liker))
        txn = self.SmartContract.functions.like_video(video_user, index).buildTransaction({
            'from': video_liker,
            'gas': 200000,
            'gasPrice': self.w3.toWei('30', 'gwei'),
            'nonce': nonce
        })
        txn_hash = self.w3.personal.sendTransaction(txn, password)
        wait_for_transaction_receipt(self.w3, txn_hash)

videos_sharing = VideosSharing()

总结

通过以上步骤，我们成功实现了一个基于IPFS的去中心化视频共享应用。从智能合约的测试和部署，到私有区块链的搭建，再到数据加载脚本的创建和前端Web应用的构建，每一个环节都紧密相连，共同构成了一个完整的去中心化应用生态。在实际应用中，还可以根据需求对应用进行进一步的优化和扩展，如增加用户认证、视频分类、评论功能等，以提升用户体验和应用价值。

5. 关键技术点分析

5.1 智能合约与代币机制

在这个去中心化视频共享应用中，智能合约起到了核心的作用。当用户点赞视频时，智能合约会自动处理代币的转移，点赞者的代币余额减少，上传者的代币余额增加，同时记录点赞信息并更新视频的总点赞数。这种机制不仅保证了交易的透明性和公正性，还激励了用户上传优质的视频内容。

例如，在 like_video 方法中，通过调用智能合约的 like_video 函数，并设置合适的 gas 和 gasPrice ，确保交易能够顺利执行。代码如下：

def like_video(self, video_liker, password, video_user, index):
    if self.SmartContract.functions.video_has_been_liked(video_liker, video_user, index).call():
        return
    nonce = self.w3.eth.getTransactionCount(Web3.toChecksumAddress(video_liker))
    txn = self.SmartContract.functions.like_video(video_user, index).buildTransaction({
        'from': video_liker,
        'gas': 200000,
        'gasPrice': self.w3.toWei('30', 'gwei'),
        'nonce': nonce
    })
    txn_hash = self.w3.personal.sendTransaction(txn, password)
    wait_for_transaction_receipt(self.w3, txn_hash)

5.2 IPFS的使用

IPFS（InterPlanetary File System）是一种分布式文件系统，用于存储和共享数据。在本应用中，视频文件被上传到IPFS网络，并通过其返回的哈希值来引用视频。这样可以确保视频数据的去中心化存储，提高数据的可用性和安全性。

在上传视频时，使用 ipfsapi 库将视频文件添加到IPFS网络，并获取其哈希值：

ipfs_add = self.ipfs_con.add(video_path)
ipfs_path = ipfs_add['Hash'].encode('utf-8')

在获取视频时，如果本地没有该视频文件，则从IPFS网络下载：

if not os.path.isfile(video_file):
    self.ipfs_con.get(ipfs_path)
    os.rename(BASE_DIR + '/' + ipfs_path, STATICFILES_DIRS[0] + '/' + ipfs_path + '.mp4')
    video['url'] = STATIC_URL + '/' + ipfs_path + '.mp4'

5.3 Django框架的应用

Django是一个高级Python Web框架，它提供了丰富的功能和工具，用于快速开发Web应用。在本应用中，Django用于构建前端Web界面，处理用户请求和业务逻辑。

通过创建视图函数和模型类，实现了视频的展示、上传、点赞等功能。例如，在 index 视图函数中，通过调用 videos_sharing.recent_videos 方法获取最近上传的视频，并将其传递给模板进行渲染：

def index(request):
    videos = videos_sharing.recent_videos()
    context = {'videos': videos}
    return render(request, 'videos/index.html', context)

6. 优化建议

6.1 性能优化

• 异步处理 ：在实际应用中，视频的上传和下载操作可能会比较耗时。可以使用异步处理技术，如Celery和RabbitMQ，将这些操作放到后台任务中执行，避免阻塞主线程，提高应用的响应速度。
• 缓存机制 ：对于一些频繁访问的数据，如最近上传的视频列表、视频的点赞数等，可以使用缓存机制进行存储，减少对区块链和IPFS网络的访问次数，提高数据的读取速度。

6.2 安全优化

• 输入验证 ：在用户上传视频和提交表单时，需要对输入数据进行严格的验证，防止恶意攻击和数据注入。可以使用Django的表单验证功能，确保输入数据的合法性。
• 权限管理 ：为不同的用户角色设置不同的权限，如普通用户只能观看和点赞视频，管理员用户可以进行视频审核和管理等操作。可以使用Django的权限管理系统来实现这一功能。

6.3 可扩展性优化

• 模块化设计 ：将应用的各个功能模块进行独立设计，如视频上传模块、视频播放模块、点赞模块等，方便后续的扩展和维护。
• 接口设计 ：设计良好的接口，使得应用可以方便地与其他系统进行集成，如第三方支付系统、社交媒体平台等。

7. 应用流程总结

为了更清晰地展示整个应用的操作流程，下面通过一个mermaid流程图来进行总结：

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([启动私有区块链和IPFS守护进程]):::startend --> B(编译和部署智能合约):::process
    B --> C(创建数据加载脚本并运行):::process
    C --> D(构建Django Web应用):::process
    D --> E(用户访问Web应用):::process
    E --> F{用户操作}:::decision
    F -->|上传视频| G(保存视频到IPFS并记录信息到区块链):::process
    F -->|观看视频| H(从IPFS获取视频并播放):::process
    F -->|点赞视频| I(智能合约处理代币转移和点赞记录):::process
    G --> E
    H --> E
    I --> E

8. 总结与展望

通过以上步骤和优化建议，我们成功实现了一个基于IPFS的去中心化视频共享应用。这个应用不仅展示了区块链和IPFS技术在视频领域的应用潜力，还为用户提供了一个更加安全、透明和公平的视频共享平台。

未来，随着区块链和IPFS技术的不断发展，我们可以进一步扩展应用的功能，如增加视频版权保护、视频推荐系统、社交互动功能等，为用户带来更好的体验。同时，也可以探索将应用部署到更广泛的网络环境中，如公有链，提高应用的可用性和影响力。

总之，去中心化视频共享应用是一个具有广阔前景的领域，值得我们不断探索和创新。