《libp2p详解》的主题演讲演讲视频:https://bbs.dji.com/thread-22883-1-1.html

10月20日，在由晨雾科技主办的中国IPFS开发者沙龙上，晨雾科技的联合创始人徐潇，他带来了名为《libp2p详解》的主题演讲。

libp2p为什么重要呢？今年7月份，协议实验室将libp2p提升为一级项目，与IPFS和Filecoin比肩，libp2p还是IPFS与Filecoin的基础设施，也就是说它们的底层技术完全是基于libp2p实现的。而且，libp2p更是未来p2p应用、区块链和物联网的基础设施。它高度抽象了主流的传输协议，使得上层应用搭建时完全不必关注底层的具体实现最终实现跨环境、跨协议的设备互联。

徐潇的演讲聚焦于libp2p的实现原理与核心流程。他对libp2p中的核心组件在系统中的功能与实现细节一一做了介绍，并详细解读了libp2p初始化结点、拨号、监听、rpc和数据交换等核心流程。

我主要为大家讲的是go的实现，它其实还有rust和JS实现。之所以只讲go，是因为go是它的第一个产品库，也是实现最全面的一个库。

一、libp2p概要

1、libp2p是什么？

libp2p就是帮助你链接节点的一个库。它的特性是什么？就是任意两个节点，不管在哪里，不管处于什么环境，不管运行什么操作系统，不管是不是在NAT之后，只要他们有物理上链接的可能性，那么libp2p就会帮你完成这个链接。

现在对于协议实验室来说，libp2p处于非常重要的一个模块，它是IPFS和filecoin的网络层。大家如果对它有很深的认识，就会发现IPFS里的很多功能就是对libp2p的一个简单抽象与包装。换句话说，如果你有一些新的想法，完全可以基于libp2p这个库实现一个新的IPFS。

libp2p是一个rpc框架。rpc过程指的是节点1想告诉节点2一些数据，我先序列化成字节流，能够在网络中传输，然后进入真正的传输层，节点2再反序列化拿到这个数据。其实libp2p还不是最底层的模块，它下面还有一个Multiformats的库，Multiformats提供各种功能的抽象层，并把这些功能抽象成一个统一的接口。

libp2p还是一个工具库。为什么这么说呢？因为我们平常在做软件开发的时候，不光要关注底层，比如tcp链接，还需要关注链接状态等信息。协议实验室通过他过去的一些经验，总结出了所有开发者基本都需要的一些功能，把它们放到了libp2p库里面，相当于完善了传输层。我简单列了一些，这些工具的功能主要包括链接复用、ID交换、中继、NAT穿越、dht发现、RTT统计等。

2、为什么要做libp2p？

之所以要做libp2p，是因为在做IPFS的时候，遇到了大量的异构设备，运行着不同的操作系统，网络环境非常复杂，比如在中国有各个NAT，还有某些场景下，可能用不了tcp链接，还有就是文件系统多样性，以及很可能需要协议变迁，比如比特币已经经历过很多次的协议变迁，每次都需要51%的节点支持。那么其实可以通过一种比较巧妙的方式来完成。

未来等IPv6出来以后，很可能是物联网、P2P应用、区块链的大爆发时期，尤其是物联网。所以协议实验室决定把他们遇到的问题全部抽象出来，做个libp2p的库，让其他开发者能够直接使用这个库，屏蔽掉所有问题，只关注业务逻辑即可。

3、libp2p目标及现状

libp2p的目标很远大，但是协议实验室现在只做到了一部分，不过已经可以基本满足使用了。我列出了libp2p的目标和现状，大家可以大致看一下。

二、libp2p原理

1、核心组件关系图

如下图所示，这是libp2p核心组件的关系图。

先简单介绍一下，第一层是接口层，最上面就是它帮我们实现的一些接口功能。然后就是host，这两个host是有互相继承关系的，routed的是basic的一个扩展实现。在libp2p中，一个host是一个节点，所以在IPFS中，都是以host为单位进行数据分发与传输的。接下来我慢慢来讲细节。

2、核心组件详解

transport

首先我要讲transport，它在应用层和传输层中间，看这个就知道其实很简单，之所以要把它封装起来，基于两个理由，一是现在世界上流行的传输协议可能只有这些，但协议是不断演进的。 二是我们平常去找ip地址，有个弊端就是没法指定协议。所以这个东西的核心就是把各个传输层全部抽象为一个统一的接口，只要匹配好接口就可以了。这也是为什么我们说开发p2p网络不用再关注底层传输协议的原因。

upgrader

接下来讲一下upgrader，我们知道传统的https协议中，底层是tcp，上面加了一个加密套接字层，其实这个加密套接字层就是upgrader，但是libp2p中，它的功能更多了一些，大概有四层，我会逐层讲解。

首先以tcp链接举例，我的一个原始链接，先经过filter，filter是一个地址过滤器，protector就是私网，IPFS也是通过它来实现的。Secure就是加密层，muxer是复用机制。

filter upgrader，这一层非常简单，它就是判断一个地址在不在我的黑白名单里面。

protector upgrader，这一层叫保护网络，其实也叫私有网络，因为它的运行原理就是你如果建了一个分布式应用，如果在私网下建，首先你要生成一个密钥，然后把这个密钥分发到所有的节点中，在每一个节点在初始化的时候，会用这个密钥对链接进行设定，设定了以后，在通信的时候，就会先互换一个随机数，再用这个随机数以及这个密钥来加密整个的传输信道。为什么叫私有网络呢，因为你没有这个密钥，根本就无法跟别人通信。

Secure upgrader，就是类似TLS的加密链接层。这一层目前使用的加密方式有两种，一个是对称加密，一个是非对称加密，非对称加密用来握手，对称加密用来加密信道。比如两个节点间的三次握手，第一次握手互换信息，比如你的公钥是多少，nonce是什么，还有我支持的非对称加密的列表和对称加密列表，以及我们支持的哈希方式列表。协商之后开始第二次握手，交换信息，包括临时密钥和签名信息，根据对方的公钥进行加密，对方用自己的私钥去解密就好。然后两个人之间已经协商出了可用的通信密钥。第三次握手其实是验证信息，验证对方有没有按照正确的方式生成。

Mux upgrader，它也叫链路复用器。顾名思义就是复用了同一个链路，在一个链路上面可以打开多个链接。

relay

再来讲一下中继transport，它对中国的部分场景还是非常有用的，主要是因为涉及到NAT的问题。中继的实现方案是这样一个框架图，底层是tcp链接，再监听，然后新的tcp链接进来并进行升级，得到了中继的一个流，如果中继是代理到这里就结束了。如果是末端节点，那么它把这个stream又抽象成了一个链接的概念，进而在监听器上面起了一个新的链接，叫中继链接，对中继链接进行升级，得到一个stream，就到业务逻辑了。中继很有意思的一点，不管中继listener监听到了多少物理链接，底层对应的都是一个物理链接，所以中继场景下的链接都是轻量级的。

peerinfo

再来讲一下peerinfo，它代表了一个节点的相关信息，它包含的内容就两点，一个是ID，ID是谁？就是我的名字，ID怎么来的？通过公钥，经过一次哈希得到的，也是一个节点的唯一标志。另外就是地址信息，我这个ID的具体地址是什么，包含3份信息，监听地址、观测地址、NAT映射地址。

peerstore

peer store的结构如上图，它类似于我们传统生活中的电话本、通信地址薄，会记录所有你知道的人的相关信息，比如说key book会记录一些公私钥的信息，metrics会记录链接的耗时时间，通过加权平均值的方式对这个节点进行评估。addr book就是地址的一个信息，默认的实现里面是一个带超时的地址信息，当然这个超时时间可以设为零。最后一个data store就是给地址打标签的意思。

swarm

swarm可以说是libp2p的一个核心，因为它才是真正的网络层。所有跟网络相关的东西全部在swarm里面，地址簿、链接、监听器都在这管理，它得有一个回调机制。让上层注册，当有一个新的stream进来以后，要调用一个相当于中转函数的概念。transport管理是说一个节点可以支持多种transport，dialer就是拨号器，不过它实际上有点复杂，同时我觉得也很厉害！感兴趣的朋友可以关注一下。它里面有三种拨号器，一个是同步拨号器，一个是后台限制拨号器，一个是有限制的拨号器，这三个拨号器会共同作用于整个拨号的过程。

然后讲一下NAT，这块可能大家都会比较关注，从目前实现方式来讲，NAT叫穿越不如叫映射。当下它的一个实现方式，就是我启动一个节点，先检查一下我附近的NAT设备运行的是什么协议，再获取到NAT的一个设备地址，然后对这个监听地址进行周期性的端口映射。但很可惜的是，目前只限于两种协议（Upnp、NAT-pmp）且在仅有一层NAT的时候有可能成功。美国的情况和中国的差异非常大，在美国，普通人的手机都能拿到公网ip地址。

host

最后说一下host，是我们操作的核心，一个host底下有这么几个部分组成，首先network，ID service就是我们身身份互换的一个功能，然后nat-manager就是刚刚我说的映射，conn-manager是链接管理。

3、核心流程详解

（此处流程比较复杂，如果没有技术背景且没有看过相关源码，可能难以理解；如有需要，可与徐潇团队联系。此处暂不阐述）

三、libp2p应用场景

应用场景这部分我简单讲一下，毕竟libp2p还处于不断的迭代中，现在还处于开发的阶段，目前基本上处于demo这样一个阶段的应用。

首先是物联网，我认为对于物联网场景来说, P2P链接是很重要的一环, ，比如, 安防场景下, 安防摄像头与手机之间，建立链接的话最好是直连，否则中央服务器的带宽撑不住，此时对于该场景来说, libp2p可以帮助其完成链路上的链接工作, 并额外完成了诸如NAT打洞(目前尚未实现, 但正在完善中), 流量及RTT统计, 长连接, 流式加密传输, 服务端主动与终端通信等工作.此外, libp2p也能适用于诸如车联网, 无人车等终端不断在各个网络间切换, 导致其ip信息不断变化的场景, 基于节点ID的链接方式及DHT路由发现机制, 可以有效屏蔽掉底层物理链接与上层逻辑的耦合度. 对于信息化时代的逐步到来与演进, 由个体产生的UGC内容在全网的占比将越来越多, 如何有效的将对的信息快速分发到对的人手里(如抖音与快手的关注视频, 直播平台的实时推流等), 同时降低中心化服务器的带宽压力, 将是未来发展的一条重要路线.

第二个就是区块链，已经有项目在利用libp2p作为它的底层，相当于分发层、调用层、传输层、网络层了。比如刚才多次提到filecoin，在“区块数据同步”、“文件传输”、“节点查找”等不少核心环节都使用了libp2p。还有Polkadot波卡链, 作为可能成为区块链3.0的开辟者, 并为了兼容现有的诸如eth以太坊等主链而采用的异构多链架构, 更要考虑终端设备的复杂场景, 因此其选择使用libp2p作为其底层传输层, 利用libp2p在各个模块的高度抽象带来的灵活性及可扩展性, 来避免现在及未来因区块链技术变迁导致的不兼容问题.

第三个是分布式聊天，就是我们通过ipfs网络互相之间发送聊天信息，也不用管对方链路到底是怎么样的，也不用管中央服务器。

第四个就是传输文件，IPFS就是用这个做的，所以这个应用性非常之广。

对LibP2P技术的小伙伴可以多了解一下，多进行踊跃的尝试，谢谢。

星鉴网、巴比特联合整理编辑