midnight-p2p-networking

P2P ネットワーキング

ピアツーピア（P2P）レイヤーは、Midnight ノードを接続し、分散型ネットワーク全体でのデータ交換を可能にします。Midnight は、デフォルトの Polkadot SDK Rust libp2p 実装を使用します。

スタックの概要

flowchart TB
  subgraph Discovery["Peer discovery"]
    BS["Bootstrap nodes"]
    MDNS["mDNS (LAN)"]
    KDHT["Kademlia DHT random walk"]
  end

  subgraph Transport["Connection"]
    TCP["TCP/IP"]
    WS["WebSockets"]
    DNS["DNS resolution"]
  end

  subgraph Security["Upgrade"]
    Noise["Noise Protocol — encryption"]
    Yamux["Yamux — multiplexing"]
    MS["Multistream-Select negotiation"]
  end

  subgraph Protocols["Substream protocols"]
    Ping["Ping — liveness"]
    RR["Request-Response — block/tx queries"]
    Notif["Notifications — gossip, finality, sync"]
  end

  Discovery --> Transport
  Transport --> Security
  Security --> Protocols

---

検出メカニズム

ネットワークに参加するには、ノードがピアを検出して接続する必要があります。

ブートストラップノード

• ネットワーク設定で事前に定義された信頼できるピアです（ハードコードされた ID とアドレス）。
• 起動時に、ノードはブートストラップピアに接続してネットワークに参加し、追加のピアに関する情報を取得します。

mDNS（マルチキャスト DNS）

• UDP ブロードキャストを介して、同じ LAN 上のピアを検出します。
• 開発環境、テストネット、または同じ場所に配置されたデプロイに役立ちます。
• ネットワーク設定で有効／無効を切り替えます。

Kademlia DHT（ランダムウォーク）

• 少なくとも 1 つのピアに接続すると、ノードは設定された各チェーンの DHT 上で Kademlia ベースのランダムウォークを実行します。
• FIND_NODE クエリを送信して、さらに多くのピアを検出します。
• 時間の経過とともに、耐障害性の高い、拡大するネットワークの全体像を構築します。

flowchart LR
  Start["Node starts"] --> Boot["Connect to bootstrap"]
  Boot --> Learn["Learn peer addresses"]
  Learn --> Walk["Kademlia random walk"]
  Walk --> More["More peers discovered"]
  More --> Walk
  MDNS["mDNS on LAN"] -.-> Learn

---

接続の確立

検出後、ピアは次の処理を行います。

1. 直接接続を確立します。
2. 共有プロトコルの機能をネゴシエートします（トランスポート、セキュリティ、多重化）。

この基盤は、より上位の 同期プロトコルとゴシッププロトコルを支えます。

---

トランスポートレイヤー

ノード A（Alice）がノード B（Bob）に接続する場合：

トランスポート	説明
TCP/IP	従来の IPv4/IPv6 ソケット
WebSockets	TCP + WebSocket フレーミング（ブラウザー／プロキシに適しています）
DNS	接続時にドメイン名を IP アドレスに解決します

---

暗号化と多重化

基本トランスポートの接続後、ピアはネゴシエートされたプロトコルを介してアップグレードします。

プロトコル	目的
Noise	エンドツーエンドの機密性と完全性
Yamux	1 つの物理接続上で複数の論理ストリームを実現します
Multistream-Select	互換性のある暗号化と多重化のオプションを選択します

sequenceDiagram
  participant A as Alice
  participant B as Bob

  A->>B: TCP / WebSocket connect
  A->>B: Multistream-Select (Noise)
  Note over A,B: Encrypted channel
  A->>B: Multistream-Select (Yamux)
  Note over A,B: Multiplexed substreams
  A->>B: Open Ping / Request-Response / Notifications

---

サブストリームプロトコル

各サブストリームは、専用のアプリケーションレベルプロトコルを実行します。

プロトコル	目的
Ping	生存確認とレイテンシ測定
Request-Response	構造化されたやり取り（ブロッククエリ、トランザクションクエリ）
Notifications	ブロードキャスト：新しいトランザクション、ブロック通知、ファイナリティの更新、ライトクライアントの状態同期

---

ピアの識別

• 各ノードは、P2P の ID として一意の Ed25519 公開鍵を持ちます。
• この鍵ペアは、コンセンサスメッセージの署名鍵とは別のものです。
• ハンドシェイク中に交換され、セッション中のピア認証に使用されます。

libp2p と GRANDPA での Ed25519 の使用方法については、midnight-cryptography/ を参照してください。

---

関連スキル

• midnight-consensus/ — バリデーターがゴシップで送信する情報（ブロック、ファイナリティ）
• midnight-cryptography/ — Noise、Ed25519 ピア ID
• midnight-rpc/ — 外部クライアントアクセス（P2P 同期を補完）