Language: Vietnamese

Cấp độ: Intermediate

Code Breakdown @ Substrate P2P Networking

Yêu cầu

• Code Breakdown @ Substrate Node

Bài viết liên quan

• Crate sc_network documentation
• Introduction to libp2p - Proto School
• Why libp2p? - Parity Technologies

Khái quát kiến trúc mạng của Polkadot

Vì theo đúng tính chất của một mạng phi tập trung, Polkadot không phụ thuộc vào bất kỳ Central Authoriy (CA) hoặc bất kỳ tố chức nào vân hành và hoạt động. Giao thức mạng của Polkadot được đựa trên tập hợp các giao thức mở, bao gồm cả những giao thức sử dụng libp2p làm nền tảng.

• libp2p: Lip2p là tập hợp các thư viện, giao thức và công cụ để xây dựng giao tiếp của một substrate node với các node trong cùng hệ sinh thái. Mình sẽ có một bài phân tích công nghệ và mã nguồn libp2p sâu hơn.
• libp2p: Polkadot Host sử dụng hệ thống addressing của libp2p để xác định và kết nối với các node ngang hàng khác

Polkadot Host hay còn được xem là Polkadot Runtime Environment. Một layer thấp hơn của Polkadot Runtime và cung cấp những chức năng cần thiết để Polkadot Runtime hoàn thành nhiệm vụ chuyển đổi trạng thái của toàn chain (state transition logic.

• Kademlia: Kademila là distributed hash table thiết kế cho mạng ngang hàng phi tập trung. Polkadot Host sử dụng Kademila trong peer discovery.
• Noise: Giao thức Noise là framework được sử dụng để xây dựng các giao thức mật mã học (cryptographic protocols). Polkadot Host sử dụng Noise để thiêt lập các lớp mã hoá tới các remote peers.
• yamux: yamux là một multiplexing protocol.

Multiplexing Protocol: Giao thức ghép kênh là quá trình nhiều tín hiệu thành một tín hiệu dễ để truyền đi xa

• Protocol Buffers: Nếu bạn đã từng làm việc với gRPC thì chắc bạn cũng không còn lạ lầm gì với Protocol Buffers hay protobuf. Được phát triển bởi Google để tuần tự hoá các dữ liệu có cấu trúc.

Networking stack: libp2p

Một trong các thư viện phổ biến và mạnh mẽ được sử dụng bởi các giải pháp phân tán và blockchain rộng rãi đó là libp2p. libp2p tập hợp các thư viện và giao thức khác nhau để giúp người dùng kiến tạo nên hệ thống mạng với khả năng mở rộng cao. libp2p được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống phi tập trung. Vậy vì sao libp2p lại có tính ứng dụng cao như vậy?

Mình vẫn còn nhớ từ trải nghiệm cá nhân khi làm dự án có chức năng gọi video call sử dụng WebRTC thời đại học. Vì thiếu kinh nghiệm nên đó là một quá trình chật vật cố gắng giải quyết từ vấn đề một liên quan về Networking. Nào là handshaking, signaling đến STUN/TURN server và các vấn đề liên quan đến tưởng lửa.

Đối với một hệ thống phức tạp P2P (peer-to-peer) như blockchain có thể lên đến 1000 node ngang hàng thì có rất rất nhiều vấn đề nảy sinh. Blockchain cần đáp ứng được nhu cầu phi tập trung toàn cầu, vì vậy, networking là một trong những vấn đề cần được ưu tiên giải quyết nhất.

libp2p được sử dụng trong Ethereum,, IPFS và Polkadot bởi các networking mô đun tích hợp dễ dàng. Bạn có thể hình dung libp2p cũng không khác gì FRAME system trong Substrate là mấy với tập hợp nhiều Pallet khác nhau nhằm giải quyết từng vấn đề cụ thể.

Trong khuôn khổ bài viết này, mình sẽ không đào quá sau về libp2p, các bạn có thể đọc thêm tại đây: Introduction to libp2p - Proto School

Cơ chế P2P của Substrate Node

Substrate sử dụng core library sc_network để định vị và tìm kiếm với các node ngang hàng khác trong cùng mạng lưới.

Danh tính và địa chỉ Node

Trong mạng phi tập trung, mỗi node giữ một private key và một public key. Trong Substrate, các key được dựa trên Ed25519 curve, áp dụng cho cả Ethereum và Solana. Từ public key của một node, ta có thể chuyển hoá sang danh tính (identity) của node đó.

Trong Substrate và libp2p, danh tính của node được biểu diễn qua struct sc_network::PeerId. Struct này bao gồm một số hàm phổ biến mà bạn có thể sẽ sử dụng trong quá trình phát triển Substrate Node như là

// Từ public key thành PeerId
pub fn from_public_key(key: &PublicKey) -> PeerId

// Từ bytes thành PeerId
pub fn from_bytes(data: &[u8]) -> Result<PeerId, Error>

Tất cả giao tiếp trong mạng lưới giữa các nodes với nhau sử dụng mã hoá được chuyển hoá từ key của các phía. Điều đó có nghĩa là danh tính của các node là không thể bị làm giả.

2023-11-28 22:27:24 Substrate Node    
2023-11-28 22:27:24 ✌️  version 4.0.0-dev-41ad4a6c9d7    
2023-11-28 22:27:24 ❤️  by Substrate DevHub <https://github.com/substrate-developer-hub>, 2017-2023    
2023-11-28 22:27:24 📋 Chain specification: Development    
2023-11-28 22:27:24 🏷  Node name: high-jail-4418    
2023-11-28 22:27:24 👤 Role: AUTHORITY    
2023-11-28 22:27:24 💾 Database: RocksDb at /var/folders/tb/r5r120jx4c34f2wnhrv6hx000000gn/T/substrate5QtFRt/chains/dev/db/full    
2023-11-28 22:27:24 🔨 Initializing Genesis block/state (state: 0x92f9…1aee, header-hash: 0x294a…709d)    
2023-11-28 22:27:24 👴 Loading GRANDPA authority set from genesis on what appears to be first startup.    
2023-11-28 22:27:24 Using default protocol ID "sup" because none is configured in the chain specs    

// Danh tinhs của node, dánh tính này được chuyển hoá từ public key định trước của node đó.
2023-11-28 22:27:24 🏷  Local node identity is: 12D3KooWLoe7Vi1nGqsNesx28464Qgsa9ydmwH1LY7aqPv7Qn6iF    

2023-11-28 22:27:24 💻 Operating system: macos    

2023-11-28 22:27:24 💻 CPU architecture: aarch64    

2023-11-28 22:27:24 📦 Highest known block at #0    

2023-11-28 22:27:24 〽️ Prometheus exporter started at 127.0.0.1:9615

Cơ chế tìm node trong mạng ngang hàng của Substrate

Được hiểu thêm về cách mà các Substrate tìm các node ngang hàng khác trong cùng một mạng lưới, bạn có thể xem qua tài liệu sau Authorize Specific Nodes về việc cấp quyền cho node để tham gia vào mạng lưới sử dụng node-authroization pallet.

Để tìm kiếm được các node trong cùng mạng lưới, danh tính của node phải được cấp quyền và là một phần của mạng lưới. Substrate có 3 cơ chế:

• Khai báo danh tính của node trong network qua Chain Specification (chain_spec.rs). Lấy ví dụ về chain specification của Local Testnet

pub fn local_testnet_config() -> Result<ChainSpec, String> {
	let wasm_binary = WASM_BINARY.ok_or_else(|| "Development wasm not available".to_string())?;

	Ok(ChainSpec::from_genesis(
		// Name
		"Local Testnet",
		// ID
		"local_testnet",
		ChainType::Local,
		move || {
			// Khai báo các accounts trong Network
			testnet_genesis(
				wasm_binary,
				// Initial PoA authorities
				vec![authority_keys_from_seed("Alice"), authority_keys_from_seed("Bob")],
				// Sudo account
				get_account_id_from_seed::<sr25519::Public>("Alice"),
				// Pre-funded accounts
				vec![
					get_account_id_from_seed::<sr25519::Public>("Alice"),
					get_account_id_from_seed::<sr25519::Public>("Bob"),
					get_account_id_from_seed::<sr25519::Public>("Charlie"),
					get_account_id_from_seed::<sr25519::Public>("Dave"),
					get_account_id_from_seed::<sr25519::Public>("Eve"),
					get_account_id_from_seed::<sr25519::Public>("Ferdie"),
					get_account_id_from_seed::<sr25519::Public>("Alice//stash"),
					get_account_id_from_seed::<sr25519::Public>("Bob//stash"),
					get_account_id_from_seed::<sr25519::Public>("Charlie//stash"),
					get_account_id_from_seed::<sr25519::Public>("Dave//stash"),
					get_account_id_from_seed::<sr25519::Public>("Eve//stash"),
					get_account_id_from_seed::<sr25519::Public>("Ferdie//stash"),
				],

• Multicase DNS (mDNS): Truyền tin thông qua giao thức UDP (UDP broadcasting) đến toàn mạng lưới, các node nhận được tín hiệu có thể phản hồi lại cùng với danh tính của nó.
• Kademlia random walk (Hiện tại mình chưa nghiên cứu quá sâu về Kademlia nên chúng ta sẽ đào sâu thêm về cơ chế này khi có cơ hội)