区块链中的P2P
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。