第6章：libp2p 网络协议

第6章：libp2p 网络协议

6.1 libp2p 简介

libp2p 是一个模块化、可扩展的网络协议栈，最初为 IPFS 设计，现已发展为通用的去中心化网络基础设施。它并非单一协议，而是一套可组合、可替换的协议组件集合，旨在解耦网络层各功能（如传输、加密、发现、路由），使开发者能按需选用或自定义实现。

💡 提示：libp2p 的核心价值不在于“提供某个具体协议”，而在于其协议无关性（protocol-agnosticism）和运行时可插拔性——同一应用可在浏览器中使用 WebRTC，在服务器上切换为 TCP 或 QUIC，无需重写业务逻辑。

主要特性：

  • 传输抽象：统一接口封装底层传输协议（如 TCP、UDP、WebRTC、QUIC），屏蔽平台差异；
  • 身份验证：基于公钥密码学构建去中心化身份系统，每个节点由 PeerID 唯一标识；
  • 加密通信：默认采用 Noise 协议框架实现安全握手与信道加密，保障端到端机密性与完整性；
  • 对等节点发现：支持多层级发现机制（本地广播、静态引导、分布式哈希表等），适应不同网络拓扑；
  • 多路复用：在单个底层连接上并发承载多个逻辑流（stream），显著降低连接开销并提升资源利用率。

6.2 传输层协议

libp2p 通过 Transport 接口抽象传输能力，允许同时注册多种传输实现。实际运行时，libp2p 会根据目标地址的 Multiaddr（如 /ip4/127.0.0.1/tcp/9090 或 /webrtc/p2p/...）自动选择匹配的传输模块。

⚠️ 注意：Multiaddr 是 libp2p 的关键概念——它是一种自描述的网络地址格式，明确编码了协议栈层级（IP → 传输 → 安全 → 应用），例如 /ip4/10.0.0.1/tcp/4001/tls/ws 表示“通过 IPv4 的 TCP 连接，经 TLS 加密后，再封装于 WebSocket 之上”。错误的 Multiaddr 格式将导致连接失败，且错误信息往往不直观，建议始终使用 <code>multiaddr</code> 库解析和构造地址。

TCP 传输： 

const TCP = require('libp2p-tcp');
const multiaddr = require('multiaddr');

const transport = new TCP();
const addr = multiaddr('/ip4/127.0.0.1/tcp/9090');

WebRTC 传输（适用于浏览器或 NAT 穿透场景）： 

const WebRTC = require('libp2p-webrtc-direct');
const transport = new WebRTC();

QUIC 传输（实验性支持，提供低延迟与连接迁移能力）： 

const QUIC = require('libp2p-quic');
const transport = new QUIC();

💡 提示：WebRTC 和 QUIC 均依赖 ICE（交互式连接建立）进行 NAT 穿透，生产环境需配置 STUN/TURN 服务器。libp2p-webrtc-direct 仅支持直连（direct peer connection），若需中继能力，请选用 libp2p-webrtc-star 或 libp2p-webrtc-floodsub 等社区维护的增强方案。

6.3 身份验证和加密

libp2p 将身份（Identity）与加密（Security）分离为两个独立可插拔层：PeerId 表示身份，Security 模块（如 Noise）负责信道建立与加密。这种设计支持未来集成其他安全协议（如 TLS 1.3、SALSA20-POLY1305 等）。

生成密钥对与 PeerID： 

const { keys } = require('libp2p-crypto');

// 生成 Ed25519 密钥对（推荐：比 RSA 更快、更安全、更轻量）
const keyPair = await keys.generateKeyPair('Ed25519', 256);

// 从公钥派生 PeerID（不可逆哈希，如 base32 编码的 multihash）
const peerId = await keys.getPeerId(keyPair.public);
console.log('My PeerID:', peerId.toString());

⚠️ 注意：libp2p-crypto 中 RSA 已被标记为不推荐（deprecated）。Ed25519 是当前默认且唯一保证长期兼容的算法；RSA 密钥生成慢、签名大、存在侧信道风险，新项目严禁使用 RSA 生成 PeerID。

加密通信（Noise 协议）： 

const Noise = require('libp2p-noise');
const security = new Noise();

// 注入至 libp2p 实例配置的 `security` 字段
// libp2p 将自动在连接建立阶段执行 Noise 握手（XX 或 IK 模式）

💡 提示：Noise 握手模式（如 XX 表示双方均持有长期密钥）由 libp2p-noise 自动协商。开发者通常无需手动调用 secureOutbound/secureInbound ——这些是底层 API，应交由 libp2p 内部连接管理器统一调度。直接调用易破坏连接生命周期，引发内存泄漏或状态不一致。

6.4 对等节点发现

节点发现（Peer Discovery）是构建动态网络的关键环节。libp2p 不强制依赖单一机制，而是鼓励分层组合使用：本地快速发现（mDNS）、全局初始接入（Bootstrap）、长期自主寻址（DHT）。

mDNS 发现（适用于局域网内设备自动组网）： 

const MDNS = require('libp2p-mdns');
const discovery = new MDNS({
  interval: 10000,        // 每 10 秒广播一次
  serviceTag: 'libp2p'    // 推荐使用 'libp2p' 而非 'ipfs.local'，以明确语义
});

Bootstrap 节点（提供可信初始节点列表，用于冷启动）： 

const Bootstrap = require('libp2p-bootstrap');
const discovery = new Bootstrap({
  list: [
    '/ip4/104.131.131.82/tcp/4001/p2p/QmaCpDMGvV2BGHeYERUEnRQAwe3N8SzbUtfsmvsqQLuvuJ',
    '/ip4/104.236.179.241/tcp/4001/p2p/QmSoLPppuBtQSGwKDZT2M73ULpjvfd3aZ6ha4oFGL1KrGM'
  ]
});

⚠️ 注意：Bootstrap 节点列表必须定期更新。上述地址为 IPFS 公共引导节点，但可能下线或变更。生产系统应维护私有引导节点池，并通过服务发现（如 DNS TXT 记录）动态获取，避免硬编码导致单点故障。

Kademlia DHT 发现（支持大规模、去中心化节点查找与内容路由）： 

const KadDHT = require('libp2p-kad-dht');
const dht = new KadDHT({
  kBucketSize: 20,      // Kademlia 路由表每桶最多容纳 20 个节点
  clientMode: false     // `false` 表示作为 DHT 全节点参与存储与查询；`true` 为轻量客户端模式
});

💡 提示：DHT 是资源密集型组件。在浏览器或嵌入式设备中启用 clientMode: true 可显著降低内存与 CPU 占用，但会丧失路由表维护与数据存储能力，仅支持查询操作。

6.5 多路复用和流管理

libp2p 的多路复用（Multiplexing）层将底层物理连接（如 TCP socket）虚拟化为多个独立、双向、有序的逻辑流（stream），每个流可承载不同协议（如 /chat/1.0.0、/filesync/2.1），实现真正的协议隔离与并发控制。

流多路复用器（Muxer）： 

const Mplex = require('libp2p-mplex');
const muxer = new Mplex({
  maxMsgSize: 1024 * 1024 // 单条消息最大 1MB，超限将抛出错误
});

⚠️ 注意：maxMsgSize 是防 DoS 的关键参数。若业务协议需传输大文件，请改用分块流式处理（如 pull-stream 或 async iterable 分片读取），而非提高该阈值。盲目增大可能导致内存溢出或 GC 压力剧增。

协议协商与流处理： 

// 注册协议处理器（服务端）
libp2p.handle('/chat/1.0.0', ({ stream, connection }) => {
  // stream 是 Node.js ReadableStream / async iterable（取决于运行时）
  // connection 提供远程节点元数据（如 PeerID）
  pipe(
    stream.source,
    async function * (source) {
      for await (const chunk of source) {
        console.log('Received:', chunk.toString());
      }
    }
  );
});

// 发起协议连接（客户端）
const { stream } = await libp2p.dialProtocol(remotePeerId, '/chat/1.0.0');
// stream.sink 可写入，stream.source 可读取

💡 提示：dialProtocol 返回的 stream 对象遵循 Node.js Streams API 规范（在浏览器中由 pull-stream 或 it-stream 兼容实现）。务必使用 pipe 或 for await...of 正确消费流，避免未处理的 data 事件堆积导致背压失控。

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