区块链中的P2P

zhangguoxiang 2019-07-01

区块链中P2P介绍

  • p2p是什么
  • 为什么区块链需要P2P
  • 比特币、以太坊、超级账本和EOS的P2P对比

P2P是什么

P2P作为区块链网络中去中心化的标识
P2P全称对等式网络(peer-to-peer),又称点对点技术,是无中心服务器、依靠用户群(peers)交换信息的互联网体系;与有中心服务器的中央网络系统不同,对等网络的每个用户端既是一个节点,也有服务器的功能,任何一个节点无法直接找到其他节点,必须依靠其户群进行信息交流。

优势

  1. 可在网络的中央及边缘区域共享内容和资源。在客户端/服务器网络中,通常只能在网络的中央区域共享内
  2. 由对等方组成的网络易于扩展,而且比单台服务器更加可靠。单台服务器会受制于单点故障,或者会在网络使用率偏高时,形为瓶颈。
  3. 由对等方组成的网络可共享处理器,整合计算资源以执行分布式计算任务,而不只是单纯依赖一台计算机,如一台超级计算机。
  4. 用户可直接访问对等计算机上的共享资源。网络中的对等方可直接在本地存储器上共享文件,而不必在中央服务器上进行共享。

p2p网络的三个特性

  • 离散性:构成系统的节点并没有任何中央式的协调机制。
  • 伸缩性:即使有成千上万个节点,系统仍然应该十分有效率。
  • 容错性:即使节点不断地加入、离开或是停止工作,系统仍然必须达到一定的可靠度。

为什么区块链会选择P2P作为网络基础

上面介绍P2P的时候说过,他是无中心服务器的,中心服务器就意味着,当受到攻击的时候,中心服务器一旦宕机,整个网络和服务就会出现问题。而P2P网络的优势在于,每个节点既是客户端又是服务端,所以当受到攻击时,任何一台机器垮掉,也不会影响整体的服务。
区块链的核心是去中心化,这和P2P网络的观念不约而同,所以选择P2P的理由也就很充分。

通过区块链技术学习P2P

首先看一下P2P的整体技术点:

  • 首先是如何发现peers,在P2P网络中,发现节点是最开始、最重要和最难的一部分;
  • 节点之间建立链接;发现节点之后,就要进行握手链接,确定节点之间的通信协议等
  • 节点之间的通信;链接建立之后,就可以正常的进行通信了;

以上三点解决之后,基本就可以实现一个简单的P2P网络。如果想要实现一个比较完整的P2P网络,当然还有很多的细节需要考虑,比如说,节点发现协议,快速定位节点,安全性,节点的加入和退出机制,节点的心跳保活等。我们主要介绍的是DHT分布式哈希表的知识点;

比特币、以太坊、超级账本和EOS都使用了DHT的具体实现;

链类型使用的P2P协议
区块链Gossip协议
超级账本Gossip协议
以太坊Kademlia协议
EOS自己实现的P2P协议 (待研究)

比特币

  • 节点发现
      新节点启动后,想要参与协同运作,必须发现其他的比特币节点,也就是至少需要发现一个比特币网络中的节点,并建立联系。

 新节点找到对等体的方法:
   - 种子节点:使用多个DNS服务器(比特币节点专用)来解析比特币节点的IP。
   - 节点引荐:如果不知道DNS,则必须知道至少一个比特币节点的IP。

  • 节点链接
    节点向peer节点发送version消息开始握手,peer节点需要检验版本,秘钥等数据,验证通过,会返回verack消息。
    握手消息完成,节点发送包含自己IP地址和addr的消息给peer节点,对等节点收到,继续向它的对等节点发出addr消息,这样新节点的IP地址就会在P2P网络中广播出去(Gossip协议的Rumor-Mongering);

因为网络中,节点可以随时加入和离开,所以所有的节点必须在一个节点退出的时候,寻找新节点,并且在其他节点启动的时候,对其进行帮组。

超级账本

以太坊
以太坊使用的是kademlia协议,简称Kad协议,具体的Kad协议在其他的文章中介绍。本文我们只需要知道Kad使用UDP进行节点间消息通信,每个节点根据与邻居节点距离之间的距离(NodeID的差距),分别放到不同的桶(bucket)中,且有4种消息

  • ping - 用于探测其他节点是否还存在
  • store - 接收者受到后,将信息中key/value对存储在本节点
  • findnode - 接受者向发送者返回 k 个它知道的与目标结点距离最近的节点
  • findvalue - 和findnode 差不多,区别是如果接收者本地存在与目标结点对应的value,那么就回复这个值给发送者。

以太坊中的P2P网络是比较完整的,很值得学习,有发现、子协议和Nat映射等模块。我们主要讲解的是发现模块;
整体结构:

结构名作用
Server本地客户端服务
Node节点的信息
table存储peer节点的结构
udp底层节点的通讯协议
Server

当本地启动一个客户端,并配置好静态peer节点的配置信息之后,启动的Server会进行三个操作

  • 主动发现邻居
  • ECDH密钥建立,确认身份并进行身份验证
  • 链接已经建立,确认生层交换协议,并运行这些协议
Node

Node节点唯一的表示网络中的一个以太坊节点,并且Node节点有如下的信息:

  • IP地址
  • 连接使用的UDP/TCP端口号
  • ID:以太坊网络中唯一标识一个节点,本质上是一个椭圆曲线公钥(PublicKey),与Server的PrivateKey对应。一个节点的IP地址不一定是固定的,但ID是唯一的。
  • 用于节点间的距离计算的sha
table

Table主要用来管理与本节点与其他节点的连接的建立更新删除:

  • bucket - 所有peer按与本节点的距离远近放在不同的桶(bucket)中
  • refreshReq - 更新Table请求通道

Table会循环的监控并对peer节点进行刷新

  • 定时(30s)启动Peer刷新过程的定时器
  • 接收其他线程投递到Table的刷新Peer连接的通知,当收到该通知时启动更新
  • 定时重新检查以连接节点的有效性的定时器
udp

udp的底层接受数据包循环,负责接收其他节点的packet,并将解析后的信息交给另一个循环处理,这个循环处理负责控制消息的向上递交和收发控制

节点发现的流程:

  • 邻居初始化

    1. 当一个节点启动后,它会首先向配置的静态节点发起连接,发起连接的过程称为Dial,此时的Dial需要知道IP地址,如果不知道需要有一个解析IP的过程(根据ID来解析)
    2. 建立连接,下面两个都成功则加入table中:

      1. 秘钥链接和确认
      2. 上层协议确认
  • 探活检测(Revalidate)

    • 有效性检测就是利用ping消息进行探活操作。Table启动了一个定时器(0~10s),定期随机选择一个bucket,向其末尾的节点发送ping消息,如果对方回应了pong,则探活成功。
  • 更新邻居关系

    • 定期(定时器超时)或不定期(收到refreshReq)地进行更新邻居关系(发现新邻居),两者都调用doRefresh()方法,该方法对在网络上查找离自身和三个随机节点最近的若干个节点。
EOS

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