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
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