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

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

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。

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。

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

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)

建立连接，下面两个都成功则加入table中：

秘钥链接和确认

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