KBucket在libp2p-rs上的使用分析

目前在项目的主线上已经实现了kad协议，而kBucket作为存储节点的一环，值得进行一次分析。

Kbucket简要介绍

在kad中，peer每获取到一个节点的信息，会将其存放到自己的KBucket中。每个peer_id由公钥经过sha2_256运算之后得到，长度为32个字节。每个节点都可以与另外的节点经过异或运算得到最长前缀，即从第一位开始的连续0的个数。0越多，代表两个节点越接近，最多可以有32*8个连续的0。所以对KBucket而言，桶的最大个数为256个。

KBucket结构

在rust-libp2p中，每个KBucket内部维护了一个Node类型的ArrayVector，大小为20，其中Node结构使用key存放peer_id，value存放地址信息；first_connected_pos作为KBucket的连接标记位，记录可被清理的节点下标；同时还提供了apply_pending的属性，存储预备插入的节点

与rust-libp2p不同的是，libp2p-rs使用了一个新的设计方法。因为peerstore的存在，我们不需要在KBucket里面存储peer所对应的地址信息，相对应的，peer相关的一些连接信息，如最后连接时间，就可以作为新的value被存放到node中。这样设计还有一个好处，就是也不需要apply_pending和connect_pos这些属性了，每个peer可以单独维护一个自己的连接状态信息，KBucket清理时，可以直接用filter的方式执行相关操作。综合以上情况，我们设计了一个结构体PeerInfo，用来作为新的Value类型

PeerInfo中记录了三个属性

/// The information of a peer in Kad routing table.
#[derive(Clone, Debug)]
pub struct PeerInfo {
    /// The time instant at which we talk to the remote peer.
    /// Sets to `Some` if it is deemed to be alive. Otherwise,
    /// it is set to `None`
    aliveness: Option,

    /// The time this peer was added to the routing table.
    added_at: Instant,

    /// reserved for future use?
    replaceable: bool,
}

aliveness表示最后通信时刻，added_at记录该节点被添加到路由表的时刻，replaceable标记这条信息是否可以被替换（目前未启用）。通过这种方式，在对KBucket进行增删操作时，能够更加容易判断相关peer的状态。

代码分析

下面以KBucketTable的try_add_peer()进行分析:

1. 首先判断是否为已存在节点。如果存在，且属于迭代查询过程中调用的方法，那就需要更新peer的最后通信时间

2. 如果不是已存在节点，需要分情况讨论

   1. 如果调用insert方法能够成功添加，就需要在peerstore中将该节点的GC标记位设置为false，防止因为GC导致地址信息被清理，进而重复进行迭代查询。
   2. 如果添加失败，说明KBucket满了，需要进行清理。首先通过filter和min_by找出最久未通信的节点，将其从KBucket中驱逐，同时peerstore中修改为可被GC。之后再将新的节点插入到KBucket中，peerstore标记不进行GC

fn try_add_peer(&mut self, peer: PeerId, queried: bool) {
        let timeout = self.check_kad_peer_interval;
        let now = Instant::now();
        let key = kbucket::Key::new(peer.clone());

        log::debug!(
            "trying to add a peer: {:?} bucket-index={:?}, query={}",
            peer,
            self.kbuckets.bucket_index(&key),
            queried
        );

        match self.kbuckets.entry(&key) {
            kbucket::Entry::Present(mut entry) => {
                // already in RT, update the node's aliveness if queried is true
                if queried {
                    entry.value().set_aliveness(Some(Instant::now()));
                    log::debug!("{:?} updated: {:?}", peer, entry.value());
                }
            }
            kbucket::Entry::Absent(mut entry) => {
                let info = PeerInfo::new(queried);
                if entry.insert(info.clone()) {
                    log::debug!("Peer added to routing table: {} {:?}", peer, info);
                    // pin this peer in PeerStore to prevent GC from recycling multiaddr
                    if let Some(s) = self.swarm.as_ref() {
                        s.pin(&peer)
                    }
                } else {
                    log::debug!("Bucket full, trying to replace an old node for {}", peer);
                    // try replacing an 'old' peer
                    let bucket = entry.bucket();
                    let candidate = bucket
                        .iter()
                        .filter(|n| n.value.get_aliveness().map_or(true, |a| now.duration_since(a) > timeout))
                        .min_by(|x, y| x.value.get_aliveness().cmp(&y.value.get_aliveness()));

                    if let Some(candidate) = candidate {
                        let key = candidate.key.clone();
                        let evicted = bucket.remove(&key);
                        log::debug!("Bucket full. Peer node added, {} replacing {:?}", peer, evicted);
                        // unpin the evicted peer
                        if let Some(s) = self.swarm.as_ref() {
                            s.unpin(key.preimage())
                        }
                        // now try to insert the value again
                        let _ = entry.insert(info);
                        // pin this peer in PeerStore to prevent GC from recycling multiaddr
                        if let Some(s) = self.swarm.as_ref() {
                            s.pin(&peer)
                        }
                    } else {
                        log::debug!("Bucket full, but can't find an replaced node, give up {}", peer);
                    }
                }
            }
            _ => {}
        }
    }

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