使用 Async Rust 構建簡單的 P2P 節點

P2P 簡介

• P2P：peer-to-peer
• P2P 是一種網路技術，可以在不同的電腦之間共用各種計算資源，如 CPU、網路帶寬和存儲。
• P2P 是當今用戶線上共用文件（如音樂、圖像和其他數字媒體）的一種非常常用的方法。
  • Bittorrent 和 Gnutella 是流行的文件共用 p2p 應用程式的例子。以及比特幣和以太坊等區塊鏈網路。
  • 它們不依賴中央伺服器或中介來連接多個客戶端。
  • 最重要的是，它們利用用戶的電腦作為客戶端和伺服器，從而將計算從中央伺服器上卸載下來。
• 傳統的分散式系統使用 Client-Server 範式來部署
• P2P 是另一種分散式系統
  • 在 P2P 中，一組節點（或對等點，Peer）彼此直接交互以共同提供公共服務，而無需中央協調器或管理員
  • P2P 系統中的每個節點（或 Peer）都可以充當客戶端（從其他節點請求信息）和伺服器（存儲/檢索數據並響應客戶端請求執行必要的計算）。
  • P2P 網路中的所有節點不必完全相同，一個關鍵特征將 Client-Server 網路與 P2P 網路區分開來：缺乏具有唯一許可權的專用伺服器。在開放、無許可的 P2P 網路中，任何節點都可以決定提供與 P2P 節點相關的全部或部分服務集。

P2P 的特點

• 與 Client-Server 網路相比，P2P 網路能夠在其上構建不同類別的應用程式，這些應用程式是無許可、容錯和抗審查的。
  • 無許可：因為數據和狀態是跨多個節點複製的，所以沒有伺服器可以切斷客戶機對信息的訪問。
  • 容錯性：因為沒有單點故障，例如中央伺服器。
  • 抗審查：如區塊鏈等網路。
  • P2P 計算還可以更好地利用資源。

P2P 的複雜性

• 構建 P2P 系統要比傳統 Client-Server 的系統複雜
  • 傳輸：P2P 網路中的每個 Peer 都可以使用不同的協議，例如HTTP(s)、TCP、UDP等。
  • 身份：每個 Peer 都需要知道其想要連接併發送消息的 Peer 的身份。
  • 安全性：每個 Peer 都應該能夠以安全的方式與其他 Peer 通信，而不存在第三方攔截或修改消息的風險等。
  • 路由：每個 Peer 可以通過各種路由（例如數據包在 IP 協議中的分佈方式）從其他 Peer 接收消息，這意味著如果消息不是針對自身的，則每個 Peer 都應該能夠將消息路由到其他 Peer。
  • 消息傳遞：P2P 網路應該能夠發送點對點消息或組消息（以發佈/訂閱模式）。

P2P 的要求 - 傳輸

• TCP/IP 和 UDP 協議無處不在，在編寫網路應用程式時非常流行。但還有其他更高級別的協議，如 HTTP（TCP上分層）和 QUIC（UDP上分層）。
• P2P 網路中的每個 Peer 都應該能夠啟動到另一個節點的連接，並且由於網路中 peer 的多樣性，能夠通過多個協議監聽傳入的連接。

P2P 的要求 - Peer 身份

• 與 web 開發領域不同，在 web 開發領域中，伺服器由唯一的功能變數名稱標識（例如 www.rust-lang.org，然後使用功能變數名稱服務將其解析為伺服器的IP地址）
• P2P 網路中的節點需要唯一身份，以便其他節點可以訪問它們。
• P2P 網路中的節點使用公鑰和私鑰對（非對稱公鑰加密）與其他節點建立通信。
  • P2P 網路中的節點的身份稱為 PeerId，是節點公鑰的加密散列。

P2P 的要求 - 安全

• 加密密鑰對和 PeerId 使節點能夠與它的 peers 建立安全、經過身份驗證的通信通道。但這隻是安全的一個方面。
• 節點還需要實現授權框架，該框架為哪個節點可以執行何種操作建立規則。
• 還有需要解決的網路級安全威脅，如 sybil 攻擊（其中一個節點運營商利用不同身份啟動大量節點，以獲得網路中的優勢地位）或 eclipse 攻擊（其中一組惡意節點共謀以特定節點為目標，使後者無法到達任何合法節點）。

P2P 的要求 - Peer 路由

• P2P 網路中的節點首先需要找到其他 peer 才能進行通信。這是通過維護 peer 路由表來實現的，該表包含對網路中其他 peer 的引用。
• 但是，在具有數千個或更多動態變化的節點（即節點加入和離開網路）的 P2P 網路中，任何單個節點都難以為網路中的所有節點維護完整而準確的路由表。Peer 路由使節點能夠將不是給自己準備的消息路由到目標節點。

P2P 的要求 - 消息

• P2P 網路中的節點可以向特定節點發送消息，但也可以參與廣播消息協議。
  • 例如，發佈/訂閱，其中節點註冊對特定主題的興趣（訂閱），發送該主題消息的任何節點（發佈）都由訂閱該主題的所有節點接收。這種技術通常用於將消息的內容傳輸到整個網路。

P2P 的要求 - 流多路復用

• 流多路復用（Stream multiplexing）是通過公共通信鏈路發送多個信息流的一種方法。
• 在 P2P 的情況下，它允許多個獨立的“邏輯”流共用一個公共 P2P 傳輸層。
  • 當考慮到一個節點與不同 peers 具有多個通信流的可能性，或者兩個遠程節點之間也可能存在多個併發連接的可能性時，這一點變得很重要。
  • 流多路復用有助於優化 peer 之間建立連接的開銷。

註意：多路復用在後端服務開發中很常見，其中客戶端可以與伺服器建立底層網路連接，然後通過底層網路連接多路復用不同的流（每個流具有唯一的埠號）。

Libp2p

• libp2p 是一個由協議、規範和庫組成的模塊化系統，它支持 P2P 應用程式的開發。
• 它目前支持三種語言：JS、Go、Rust
  • 未來將支持 Haskell、Java、Python等
• 它被許多流行的項目使用，例如：IPFS、Filecoin 和 Polkadot 等。

Libp2p 的主要模塊

• 傳輸（Transport）：負責從一個 peer 到另一個 peer 的數據的實際傳輸和接收
• 身份（Identity）：libp2p 使用公鑰密鑰（PKI）作為 peer 節點身份的基礎。使用加密演算法為每個節點生成唯一的 peer id。
• 安全（Security）：節點使用其私鑰對消息進行簽名。節點之間的傳輸連接可以升級為安全的加密通道，以便遠程 peer 可以相互信任，並且沒有第三方可以攔截它們之間的通信。
• Peer 發現（Peer Discovery）：允許 peer 在 libp2p 網路中查找並相互通信。
• Peer 路由（Peer Routing）：使用其他 peer 的知識信息來實現與 peer 節點的通信。
• 內容發現（Content Discovery）：在不知道哪個 peer 節點擁有該內容的情況下，允許 peer 節點從其他 peer 節點獲取部分內容。
• 消息（Messaging）：其中發佈/訂閱：允許向對某個主題感興趣的一組 peer 發送消息。

P2P 節點的身份

P2P Node

PeerId: 12d3k.....

~/rust via