作者簡(jiǎn)介：戴嘉樂( Mr.Maple ) | 前百度高級(jí)研發(fā)工程師 | IPFS應(yīng)用實(shí)踐者&布道師|
個(gè)人網(wǎng)站：https://www.daijiale.cn
聯(lián)系方式：微信號(hào)：daijiale6239。

一、概述

1.1 項(xiàng)目意義

打造地理位置信息與區(qū)塊鏈的關(guān)系對(duì)象模型，建立一套 人->位置->真實(shí)世界->傳遞信任->價(jià)值轉(zhuǎn)移->位置->人 的生態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)用區(qū)塊鏈來索引真實(shí)世界的愿景。

通過GeoHash算法可以大幅度提高在龐大位置數(shù)據(jù)中的檢索效率，同時(shí)為應(yīng)用提供便捷的緩存機(jī)制。

IPFS&Filecoin技術(shù)則可以保證在一個(gè)可信的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中去大規(guī)模傳遞與海量位置信息相關(guān)聯(lián)的海量文件、數(shù)據(jù)集合，并保證傳遞過程中數(shù)據(jù)的產(chǎn)權(quán)價(jià)值。

1.2 名詞解釋

• DDApp
  DDApp ( Data Decentered Application )：是一個(gè)數(shù)據(jù)去中心化應(yīng)用的概念，介于傳統(tǒng)應(yīng)用和去中心化應(yīng)用之間，解決了DApp不能依賴中心化的API的問題，又保證部分需要去中心化場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)，在與應(yīng)用交互之外，還可以獨(dú)立分布部署、P2P傳輸。

• IPFS
  IPFS全稱InterPlanetary File System，中文名：星際文件系統(tǒng)，是一個(gè)旨在創(chuàng)建持久且分布式存儲(chǔ)和共享文件的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。它是一種內(nèi)容可尋址的對(duì)等超媒體分發(fā)協(xié)議可以讓網(wǎng)絡(luò)更快、更安全、更開放。它是一個(gè)面向全球的、是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式版本文件系統(tǒng)，試圖將所有具有相同文件系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備連接在一起。

• GeoHash
  Geohash是由Gustavo Niemeyer發(fā)明的公共域地理編碼系統(tǒng)，它將一個(gè)地理位置編碼成一串字母和數(shù)字。它是一種層次化的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將空間細(xì)分為網(wǎng)格形狀的桶，是一種被稱為z -階空間填充曲線的應(yīng)用，下圖中就是GeoHash算法中常用的Peano曲線，一種四叉樹線性編碼方式。

  
  

  GeoHash數(shù)據(jù)將具有如下3個(gè)特點(diǎn)：

• 1 GeoHash將二維的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成字符串，比如下圖展示了北京9個(gè)區(qū)域的GeoHash字符串，分別是WX4ER，WX4G2、WX4G3等等，每一個(gè)字符串代表了某一矩形區(qū)域。也就是說，這個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)所有的點(diǎn)（經(jīng)緯度坐標(biāo)）都共享相同的GeoHash字符串，這樣既可以保護(hù)隱私（只表示大概區(qū)域位置而不是具體的點(diǎn)），又比較容易做緩存，比如左上角這個(gè)區(qū)域內(nèi)的用戶不斷發(fā)送位置信息請(qǐng)求餐館數(shù)據(jù)，由于這些用戶的GeoHash字符串都是WX4ER，所以可以把WX4ER當(dāng)作key，把該區(qū)域的餐館信息當(dāng)作value來進(jìn)行緩存，而如果不使用GeoHash的話，由于區(qū)域內(nèi)的用戶傳來的經(jīng)緯度是各不相同的，很難做緩存。

  
  

• 2）字符串越長(zhǎng)，表示的范圍越精確。如圖所示，5位的編碼能表示10平方千米范圍的矩形區(qū)域，而6位編碼能表示更精細(xì)的區(qū)域（約0.34平方千米）。

  
  

• 3）字符串相似的表示距離相近（特殊情況后文闡述），這樣可以利用字符串的前綴匹配來查詢附近的POI信息。如下兩個(gè)圖所示，一個(gè)在城區(qū)，一個(gè)在郊區(qū)，城區(qū)的GeoHash字符串之間比較相似，郊區(qū)的字符串之間也比較相似，而城區(qū)和郊區(qū)的GeoHash字符串相似程度要低些。

  例如，坐標(biāo)對(duì)（116.414597,39.955441），位于北京安定門附近，GeoHash后形成的值為WX4G2。

  我們已經(jīng)知道現(xiàn)有的GeoHash算法使用的是Peano空間填充曲線，這種曲線會(huì)產(chǎn)生突變，造成了編碼雖然相似但距離可能相差很大的問題，因此在基于個(gè)人位置查詢附近Poi信息時(shí)，首先篩選GeoHash編碼相似的POI點(diǎn)，然后進(jìn)行實(shí)際距離計(jì)算，來規(guī)避算法突變所造成的誤差。

  當(dāng)然Geohash只是空間索引的一種方式，特別適合POI點(diǎn)數(shù)據(jù)，而對(duì)線Link、面數(shù)據(jù)采用R樹索引更有優(yōu)勢(shì)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 對(duì)象模型設(shè)計(jì)

Geo Object Model

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象映射

2.3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)選型

這是網(wǎng)友以 100萬 poi 數(shù)據(jù)查詢范圍 3km 內(nèi)的點(diǎn)（最多取100條）的性能測(cè)試統(tǒng)計(jì):

以下是各數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)比情況：

綜合比較后，個(gè)人選擇了MySql 來進(jìn)行后文Demo的支撐數(shù)據(jù)庫(kù)：

• MySql在5.7.4以前版本的童鞋可以通過myISAM引擎提供的Geom內(nèi)置函數(shù)來實(shí)現(xiàn)
• MySql在5.7.4以后版本的童鞋可以舒服的繼續(xù)使用InnoDB引擎，官方對(duì)其添加了對(duì)空間索引的支持，感興趣的朋友也可以對(duì)比下性能。

PS：

1. 數(shù)據(jù)庫(kù)沒有哪個(gè)一定好，只要適合場(chǎng)景即可。
2. 在研究IPFS存儲(chǔ)性能的過程中，由于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)問題，有很嚴(yán)重的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，且不穩(wěn)定，短期內(nèi)，很難將需要頻繁更新以及百萬級(jí)別數(shù)據(jù)的檢索邏輯事務(wù)放在IPFS這一層中來做。
3. 在IPFS節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)性能目前并不樂觀的情況下，嘗試去尋找能實(shí)現(xiàn)具有商業(yè)級(jí)別能力IPFS應(yīng)用的過渡方案。

2.3.2 對(duì)象模型映射成表結(jié)構(gòu)

-- 表的結(jié)構(gòu) `geo_object`--CREATE TABLE `geo_object` (`geo_id` bigint(20) NOT NULL  AUTO_INCREMENT,`geo_loc` point NOT NULL,`geo_address` varchar(255) NOT NULL,`ipfs_hash` varchar(255) NOT NULL) ENGINE=MyISAM DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='geo對(duì)象模型';-- Indexes for table `geo_object`ALTER TABLE `geo_object`ADD PRIMARY KEY (`geo_id`),ADD SPATIAL KEY `geo_loc` (`geo_loc`);

三、Demo

有了以上的概念和設(shè)計(jì)模型，接下來，給大家看一個(gè)簡(jiǎn)單的Demo實(shí)現(xiàn)：

3.1 通過IPFS上傳位置數(shù)據(jù)

IPFS單節(jié)點(diǎn)的部署就不詳細(xì)介紹了，這邊可以參考文章 利用IPFS構(gòu)建自己的去中心化分布式Wiki系統(tǒng) 的實(shí)現(xiàn)過程.

官方提供了Curl的API方式，我們可以通過addIpfsDataByParam()方法實(shí)現(xiàn)RPC調(diào)用。

curl -F file=@myGeoFile "http://localhost:5001/api/v0/add?recursive=false&quiet=false&hash=sha2-256"

PS：這邊Demo采用的是本地單節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳，為了保障服務(wù)的穩(wěn)定性，建議使用ipfs-cluster的節(jié)點(diǎn)集群解決方案，具體方案可以參考IPFS資深大牛（飛向未來）的文章《IPFS家族二》。

3.2 獲取IPFS網(wǎng)絡(luò)返回值，并關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)

響應(yīng)體為 ‘multipart/form-data’格式，成功，會(huì)返回如下Body數(shù)據(jù)：

{"Name":"myGeoFile""Hash":"QmYftndCvcEiuSZRX7njywX2AGSeHY21Sa7VryCq1mK1Ew""Bytes":"2428803""Size": ""}

拿到Hash值后，再通過mixIpfsDataByParam()方法關(guān)聯(lián)到我們的Geo位置數(shù)據(jù)上。

3.3 Geo模型預(yù)演

選取第一個(gè)基準(zhǔn)位置點(diǎn)（模擬用戶所在定位）:

維度lat：39.989049
經(jīng)度lng：116.313658

INSERT INTO `geo_object`(`geo_loc`, `geo_address`, `ipfs_hash`) VALUES (GeomFromText('POINT(39.989049 116.313658)'),'3W咖啡館','QmYftndCvcEiuSZRX7njywX2A21Sa7VryCq1mK1Ew21')

選取第二個(gè)Geo位置點(diǎn)（模擬近點(diǎn)）:

維度lat：39.988878
經(jīng)度lng：116.313352

INSERT INTO `geo_object`(`geo_loc`, `geo_address`, `ipfs_hash`) VALUES (GeomFromText('POINT(39.988878 116.313352)'),'中關(guān)村創(chuàng)業(yè)大街南廣場(chǎng)','WCJIEFSCvcE231233HY21Sa7Vr1Cq1mK1Ew')

選取第三個(gè)Geo位置點(diǎn)（模擬遠(yuǎn)點(diǎn)）:

維度lat：40.005466
經(jīng)度lng：116.315938

INSERT INTO `geo_object`(`geo_loc`, `geo_address`, `ipfs_hash`) VALUES (GeomFromText('POINT(40.005466 116.315938)'),'圓明園','KBYftndCvcEiuSZRX7njyw1332Y21Sa723mKASDED')

球面距離圍欄算法

假設(shè)球面圍欄對(duì)角點(diǎn)坐標(biāo)A1（x1，y1），B1（x2，y2）：

x1 = lat + distance / ( 111.1 / COS(RADIANS(lng))),  
y1 = lng + distance / 111.1  
x1 = lat - distance / ( 111.1 / COS(RADIANS(lng))),  
y1 = lng - distance / 111.1  
//構(gòu)建一階空間填充曲線
LineString(A1,B1)  

PS：

1. 赤道上經(jīng)度的每個(gè)度大約相當(dāng)于111.1km，經(jīng)度的每個(gè)度的距離從0km到111.1km；
2. RADIANS()為弧度計(jì)算內(nèi)置函數(shù)；
3. LineString() 為構(gòu)建一階空間填充曲線內(nèi)置函數(shù)。

3.4 獲取地理區(qū)域內(nèi)的IPFS數(shù)據(jù)服務(wù)

獲取1km以內(nèi)的IPFS數(shù)據(jù)：

SELECT  *  FROM    geo_object  WHERE   MBRContains  
(  
LineString  
(  
Point  
(  39.989049 + 1 / ( 111.1 / COS(RADIANS(116.313658))),  116.313658 + 1 / 111.1  ),  
Point  
(  39.989049 - 1 / ( 111.1 / COS(RADIANS(116.313658))),  116.313658 - 1 / 111.1  )   
),  
geo_loc  
)  

如下圖所示，我們拿到了距離3W咖啡館1Km以內(nèi)中關(guān)村大街南廣場(chǎng)附近相關(guān)聯(lián)的IPFS數(shù)據(jù):

獲取10km以內(nèi)的IPFS數(shù)據(jù)：

SELECT  *  FROM    geo_object  WHERE   MBRContains  
(  
LineString  
(  
Point  
(  39.989049 + 10 / ( 111.1 / COS(RADIANS(116.313658))),  116.313658 + 10 / 111.1  ),  
Point  
(  39.989049 - 10 / ( 111.1 / COS(RADIANS(116.313658))),  116.313658 - 10 / 111.1  )   
),  
geo_loc  
)  

如下圖所示，我們拿到了距離3W咖啡館10Km以內(nèi)中關(guān)村大街南廣場(chǎng)附近相關(guān)聯(lián)的IPFS數(shù)據(jù):

PS：
關(guān)于Demo這塊，后續(xù)會(huì)另外新開一篇實(shí)戰(zhàn)文章【應(yīng)用】基于IPFS和GeoHash構(gòu)建具有地理位置價(jià)值服務(wù)的DDApp（實(shí)戰(zhàn)篇）來做專門介紹，讓大家也能自己動(dòng)手編寫一個(gè)功能相對(duì)完善（可視化界面）DDApp 。

四、應(yīng)用場(chǎng)景

• Vevue：一個(gè)在選定的區(qū)域內(nèi)街拍可獲得代幣獎(jiǎng)勵(lì)的DApp，鼓勵(lì)用戶分享原創(chuàng)內(nèi)容，激勵(lì)場(chǎng)景化廣告。
• 地理位置簽到：只有到達(dá)指定位置坐標(biāo)點(diǎn)，才可取得可信簽到密碼憑證，進(jìn)行核對(duì)，確認(rèn)地理位置信任問題。(滴滴加班公司打車報(bào)銷場(chǎng)景)
• 到店紅包（糖果）：，吸引用戶到達(dá)指定實(shí)體店鋪位置，通過位置可信核對(duì)，分發(fā)代幣糖果憑證/快照，激勵(lì)用戶到店消費(fèi)，體驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)。
• 車主停車位產(chǎn)權(quán)保護(hù)：經(jīng)過購(gòu)買的專用停車位實(shí)為車主用戶的資產(chǎn)，應(yīng)受到產(chǎn)權(quán)保護(hù)，且車位的轉(zhuǎn)移、交易需要在一套依賴地理位置的信任體系中進(jìn)行。
• 景區(qū)、名勝古跡、歷史遺跡信息保護(hù)：滄海桑田，地轉(zhuǎn)星移，也許有一天名勝古跡不復(fù)存在，但它們的電子信息（地理位置、圖像、所屬國(guó)家、歷史文化、視頻、VR全景等信息）將永遠(yuǎn)被保存在區(qū)塊鏈上，真實(shí)且不被篡改，源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。
• 與位置AR游戲結(jié)合：之前很火的Pokémon Go如果再加上Filecoin的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制會(huì)是一種什么樣的場(chǎng)面？也可以參考MANA區(qū)塊鏈項(xiàng)目的價(jià)值。
• 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合： 充電樁，ETC這些具有支付屬性、位置屬性的智能設(shè)備創(chuàng)新等等。

五、開源計(jì)劃

初衷：期望能讓大家看到區(qū)塊鏈的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，為區(qū)塊鏈和傳統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合做更多預(yù)演、布道、分享，不去聽?zhēng)湃ξ跷跞寥恋穆曇?，用技術(shù)創(chuàng)造真實(shí)的價(jià)值，也期待更多和我一樣想法的朋友加入，帶一些正能量給這個(gè)圈子。

IPFS-Geo
意義：是一個(gè)具有地理位置特征的IPFS智能對(duì)象，其元數(shù)據(jù)具備Geo相關(guān)特性，支持千萬級(jí)別空間數(shù)據(jù)的快速索引，對(duì)象內(nèi)還提供LBS相關(guān)功能的接口服務(wù)。

相關(guān)文章和視頻推薦

【戴嘉樂】利用IPFS構(gòu)建自己的去中心化分布式Wiki系統(tǒng)

圓方圓學(xué)院匯集大批區(qū)塊鏈名師，打造精品的區(qū)塊鏈技術(shù)課程。 在各大平臺(tái)都長(zhǎng)期有優(yōu)質(zhì)免費(fèi)公開課，歡迎報(bào)名收看。
公開課地址：https://ke.qq.com/course/345101