Rust P2P 网络应用实战 -1 P2P 网络核心概念及 Ping 程序

作者：李明

2022 年 7 月 29 日
本文字数：2823 字
阅读完需：约 9 分钟

本系列文章首先研究 P2P 网络的核心概念，然后详细分析 libp2p-rust 库中的应用实例，为以后开发 P2P 网络应用程序打好基础。

P2P 网络

P2P(Peer-to-Peer)是一种网络技术，可以在网络中不同的计算机上共享各种计算资源，如 CPU、网络带宽和存储等。P2P 技术应用最广泛的是在网络中共享文件以及区块链网络，它们不依赖中央服务器或中介来连接多个客户端，用户的计算机即是客户端也是服务器。

由于 P2P 网络是一种分布式系统，不会像中央服务器一样存在单点故障，因此容错性极强。

下面让我们来看一看 P2P 网络的核心概念：

传输协议

在 P2P 网络底层一般使用 TCP/UDP 传输层协议。由于 P2P 节点应用的多样性，在 TCP/UDP 传输层协议之上，会使用多种应用层协议，如：HTTP，gRPC 及自定义协议等。为了有效利用资源，P2P 网络会在一个连接上监听、解析多种协议，即多路复用技术：多个逻辑子流可以在同一个底层(TCP)连接上共存。可以查看 yamux 库了解更多细节。

节点标识

P2P 网络中的节点需要一个唯一的标识，以便其他节点能够找到它们。P2P 网络中的节点使用公钥和私钥对(非对称公钥加密)与其他节点建立安全通信。在 P2P 网络中节点标识被称为 PeerId，它是通过对节点公钥进行加密哈希得到的。

安全规则

密钥对和节点身份标识使节点之间能够体建立安全的、经过身份验证的通信通道。但这只是安全的一个方面，节点还需要根据业务逻辑实现授权框架，该框架建立一些规则：哪些节点可以执行哪种类型的操作等。

节点路由

P2P 网络中的一个节点首先需要找到其他节点来进行通信。这是通过维护一个节点路由表来实现的。但是在 P2P 网络中，有成千上万个节点在动态变化(即节点的加入和离开)，单个节点很难为网络中的所有节点维护一个完整、准确的路由表。所以节点路由表通常会由一系列路由节点维护。

消息

P2P 网络中的节点可以向特定节点发送消息，也可以广播消息。使用发布/订阅模式，节点订阅感兴趣 Topic，所有订阅该 Topic 的节点都能接收和发送消息。这种技术也通常用于将消息的内容传输到整个网络。

流多路复用

在 P2P 网络中，允许多个独立的“逻辑”流共享一个公共的 P2P 传输层。流多路复用有助于优化节点之间建立网络连接的开销。多路复用在后端服务开发中很常见，客户端可以与服务器建立底层网络连接，然后在底层网络连接上复用不同的流。

libp2p

自己编写 P2P 应用程序的网络层是一项庞大的工程，我们将使用底层 p2p 网络库—libp2p，在其上构建 p2p 应用程序会更加容易。libp2p 是一个模块化的系统，支持三种编程语言：Rust、Go、JS。许多流行的项目中都使用 libp2p 做为 P2P 网络底层，如 IPFS、 Filecoin、Polkadot 和 Substrate。

libp2p 将 P2P 网络基本概念分解成了不同的模块，可以在不同的应用场景中组合使用。

我们先通过 Ping 这个简单的程序来熟悉一下 libp2p 的组件及如何使用 libp2p 开发点对点网络。

PING

这个例子非常简单，主要就是一个节点向另一个节点发送 ping 消息，然后等待另一个节点返回 pong 消息。

新建一个项目名叫：libp2p-learn

master:p2p Justin$ cargo new libp2p-learn     Created binary (application) `libp2p-learn` packagemaster:p2p Justin$ cd libp2p-learn/master:libp2p-learn Justin$ code .

复制代码

在 Cargo.toml 文件中加入 libp2p 和 tokio 依赖：

[dependencies]libp2p = "0.46"tokio = { version = "1.19", features = ["full"] }

复制代码

然后在 src/bin/目录下创建 ping.rs 文件：

use std::error::Error;
use libp2p::{    futures::StreamExt,    identity,    ping::{Ping, PingConfig},    swarm::SwarmEvent,    Multiaddr, PeerId, Swarm,};
#[tokio::main]async fn main() -> Result<(), Box<dyn Error>> {    // 生成密钥对    let key_pair = identity::Keypair::generate_ed25519();
    // 基于密钥对的公钥，生成节点唯一标识peerId    let peer_id = PeerId::from(key_pair.public());    println!("节点ID: {peer_id}");
    // 声明Ping网络行为    let behaviour = Ping::new(PingConfig::new().with_keep_alive(true));
    // 传输    let transport = libp2p::development_transport(key_pair).await?;
    // 网络管理模块    let mut swarm = Swarm::new(transport, behaviour, peer_id);
    // 在节点随机开启一个端口监听    swarm.listen_on("/ip4/0.0.0.0/tcp/0".parse()?)?;
    // 从命令行参数获取远程节点地址，进行链接。    if let Some(remote_peer) = std::env::args().nth(1) {        let remote_peer_multiaddr: Multiaddr = remote_peer.parse()?;        swarm.dial(remote_peer_multiaddr)?;        println!("链接远程节点: {remote_peer}");    }
    loop {        // 匹配网络事件        match swarm.select_next_some().await {            // 监听事件            SwarmEvent::NewListenAddr { address, .. } => {                println!("本地监听地址: {address}");            }            // 网络行为事件            SwarmEvent::Behaviour(event) => println!("{:?}", event),            _ => {}        }    }}

复制代码

网络行为 Behaviour：传输(transport)定义如何在网络中发送字节流，而网络行为定义发送什么样的字节流，在这里我们发送 ping/pong 消息。
网络管理模块 Swarm：用于管理节点之间的所有活跃连接和挂起连接，并管理所有已打开的子流状态。Swarm 是通过传输、网络行为和节点 PeerId 来创建。
节点地址：/ip4/0.0.0.0/tcp/0，表示在本机所有 ip 地址上，开一个随机的 Tcp 端口进行监听。

打开一个终端，运行：

cargo run --bin ping

复制代码

master:libp2p-learn Justin$ cargo run --bin ping   Compiling libp2p-learn v0.1.0 (/Users/Justin/workspace_rust_exercise/network-study/p2p/libp2p-learn)    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 8.65s     Running `target/debug/ping`节点ID: 12D3KooWR7H9SwB2yiFBKvzcVGFdpeKmuFG9qDTBTvuuuDarASST本地监听地址: /ip4/127.0.0.1/tcp/58645

复制代码

可以看到已经打印出 PeerId 和监听地址。

打开另一个终端，运行：

cargo run --bin ping /ip4/127.0.0.1/tcp/58645

复制代码

master:libp2p-learn Justin$ cargo run --bin ping /ip4/127.0.0.1/tcp/58645    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.36s     Running `target/debug/ping /ip4/127.0.0.1/tcp/58645`节点ID: 12D3KooWCUFTHNMJrR1p8vkFEFFYm4J8iPA1Wh6x2Dya5qmU1xdL链接远程节点: /ip4/127.0.0.1/tcp/58645本地监听地址: /ip4/127.0.0.1/tcp/58727Event { peer: PeerId("12D3KooWR7H9SwB2yiFBKvzcVGFdpeKmuFG9qDTBTvuuuDarASST"), result: Ok(Pong) }Event { peer: PeerId("12D3KooWR7H9SwB2yiFBKvzcVGFdpeKmuFG9qDTBTvuuuDarASST"), result: Ok(Ping { rtt: 1.234008ms }) }

复制代码

我们可以看到链接到刚刚的节点/ip4/127.0.0.1/tcp/58645 成功，也收到了发送过来的 ping/pong 的消息。

下一篇文章我们将详细解析 P2P 聊天程序。

发布于: 6 小时前阅读数: 16

原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/7a32cf7dc917c587fcc6b6788】。

李明

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