WIT:科普 | 理解以太坊的 P2P 网络_OIN

作者:LarryHu

翻译&校对:haiki&阿剑

来源：以太坊爱好者

此文旨在帮助你理解P2P网络，并阐述一些以太坊的实现细节。P2P技术利用终端设备的丰富资源，能够缓解中心化系统的短板，而且从九十年代开始，这项技术就已经被eMule，bitTorrent和Skype等知名软件所采用。P2P技术也是比特币或者以太坊区块链系统的核心组件。很多人都听说过P2P，但是不知道它到底是什么。那就让我们从了解什么是P2P网络开始吧。

什么是P2P网络？

点对点网络是一种网络覆盖层——就是说，它是建立在公开互联网之上的。从数学的角度来说，P2P网络可以被视作一个有向图G=(V,E)，其中V是网络中的对等节点集合，E?是对等节点所连成的边的集合。每个对等节点p都有一个独一无二的标识号pid。集合E中的边指p可通过直接相连的路径向q发送消息；也就是说，p使用q的pid作为目的地址，在网络之上向q发送消息。尽管在底层的TCP/IP网络中，相似的IP地址可以转译为在地理位置上相互接近，但很少有这么明确的直接关联。

理想情况下，所有的对等节点间都应该有一条路径相连。但因为每个节点对网络拓扑和其他对等节点只有一个不完整的视图，所以网络覆盖层需要中间节点将消息转发至正确目的。图的结构为每对节点提供了多条中间路径，因此就算对等节点改变，也可通过图的连通性提供网络的恢复能力。对每个对等节点来说，图的连通性通过与其他对等节点的邻接关系来反映。当对等节点加入或者离开网络，邻接的对等节点可能会持有不正确的邻接信息。因此使用网络覆盖层维护机制保存更新的邻接信息，使得所有节点间保持连通性。

P2P网络中的参与者向其他网络参与者提供部分资源。不需要中心化的协调者，每个对等节点都可贡献计算周期，磁盘存储和网络带宽。传统的客户端-服务器模型中，服务器提供资源，客户端使用资源；与之相对的，在P2P网络中，对等节点既是网络资源的供应者，也是消费者。因此，P2P网络可以很好地解决客户端-服务器模型下的一些短板，比如可扩展性和单点故障。

一般来说，P2P网络会有一个门槛，节点的资源贡献高于这个门槛才能加入网络。度量资源贡献的标准应该是公平的，比如说，要求网络中每个对等节点的平均贡献应该在P2P系统总体平均值的统计范围内等。资源贡献应该是双方互惠的。付出贡献后可得到的利益，吸引着用户加入P2P应用。

以太坊的P2P网络是如何工作的？

以太坊的官方客户端节点软件?Geth，基于一种覆盖层维护机制实现了对等节点发现协议。虽然Kademlia是为了在P2P网络中有效地定位和存储内容而设计的，以太坊的P2P网络只用它来发现新的对等节点。

Kademlia

以太坊网络中，每个客户端节点都配备有一个?

enode?ID，之后将此ID用SHA3算法

散列为一个256位的值。Kademlia使用XOR操作定义距离，因此两个256位的数字之间的距离是他们的按位异或值。每个对等节点都拥有一个包含256个不同的桶的数据结构，每个桶i中存储与本节点距离在2

i-1?到2

i?之间的16个节点。为了发现一个新的对等节点，以太坊节点选择自己作为目标x，从桶中寻找到16个与目标x最近的节点，之后请求这16个节点，让它们从自己的桶中各找出16个与目标x“更近”的节点并返回，这样以来，会得到至多16x16个新发现的节点。之后请求这16x16个新发现的节点中离目标x最近的16个节点，让它们返回与x更近的16个节点。这个过程持续迭代，直到没有新节点被发现。

-异或操作示意图-

-bucket与距离对应的示意图-

对等节点间通信

Geth使用UDP连接交换P2P网络的信息。有4种类型的UDP消息。一条?

*ping*?消息请求一条?

*pong*?消息作为返回。此对消息用来判断相邻节点是否可响应。一条?

*findnode*?消息请求一条?

*neighbors*?消息作为返回。当建立好对等节点的连接之后，Geth节点通过加密和认证的TCP连接来交换区块链信息。

数据结构

Geth客户端用两种数据结构存储其他节点的信息。第一种是称作?

db?的长期数据库，它存储在磁盘内，客户端重启之后数据也是持久存在的。

db?中包含客户端交互过的每个节点信息。db的每条记录包含节点ID，IP地址，TCP端口，UDP端口，最后一次向节点发送ping的时间，最后一次从节点收到pong的时间，节点响应?

findnode?消息的失败次数。如果最后一次从一个节点收到?

pong?消息的时间超过了一天，此节点将会被移出db。

第二种数据结构是称作?table?的短期数据库。当客户端重启时?table?是空的。table?包含256个桶，每个桶存储至多16条记录。每条记录存储其他以太坊节点的信息——节点的ID，IP地址，TCP端口和UDP端口。如果记录中的某个节点对于?findnode?消息连续响应失败，多于4次时将被移出table。

当某个客户端第一次启动时，它的db是空的，只知道6个硬编码的引导节点。随后，当客户端开始发现对等节点，客户端依据上面描述的机制，将节点加入db和table。

如果你想查阅更多关于以太坊P2P网络的内容，可以参见下面一些由以太坊社区成员贡献的文章：

“RLPxNodeDiscoveryProtocol”byFelixLange,Gustav-Simmonsson,andRomanMandeleil

“PeertoPeer”byFelixLange

“KademliaPeerSelection”byJamesRay

参考：

VasiliosDarlagiannis,(2010).P2PSystemsandOverlayNetworks,Retrieved

from:?https://www.iti.gr/iti/files/document/seminars/p2p_eketa_090610_v2.pdf

S.UmamaheswariandDr.V.Leela,(2011,Mar.01).P2POverlayMaintenanceAlgorithm,Retrievedfrom:?http://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1260/1748-3018.6.3.555

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