科普 | 理解以太坊的 P2P 網絡_以太坊

作者:LarryHu

翻譯&校對:haiki&阿劍

來源：以太坊愛好者

此文旨在幫助你理解P2P網絡，并闡述一些以太坊的實現細節。P2P技術利用終端設備的豐富資源，能夠緩解中心化系統的短板，而且從九十年代開始，這項技術就已經被eMule，bitTorrent和Skype等知名軟件所采用。P2P技術也是比特幣或者以太坊區塊鏈系統的核心組件。很多人都聽說過P2P，但是不知道它到底是什么。那就讓我們從了解什么是P2P網絡開始吧。

什么是P2P網絡？

點對點網絡是一種網絡覆蓋層——就是說，它是建立在公開互聯網之上的。從數學的角度來說，P2P網絡可以被視作一個有向圖G=(V,E)，其中V是網絡中的對等節點集合，E?是對等節點所連成的邊的集合。每個對等節點p都有一個獨一無二的標識號pid。集合E中的邊指p可通過直接相連的路徑向q發送消息；也就是說，p使用q的pid作為目的地址，在網絡之上向q發送消息。盡管在底層的TCP/IP網絡中，相似的IP地址可以轉譯為在地理位置上相互接近，但很少有這么明確的直接關聯。

徐明星新書《趣說金融史》正式發布 科普金融發展之道:金色財經現場報道，9月23日，歐科云鏈創始人徐明星攜手著名財經作家李霽月、行業觀察者顧澤輝力作《趣說金融史》一書，跨越5000年金融歷史，重讀金錢故事，并預測新的金融時代。該書由中信出版社出版，將于近期正式發售。據了解，本書可以更好地呈現金融的起源與發展，幫助人們理解貨幣、金融與未來經濟。作為區塊鏈行業領軍企業——歐科云鏈的創始人，徐明星深知技術探索對經濟社會的重要推動作用，他曾先后出版過《圖說區塊鏈》、《區塊鏈：重塑經濟與世界》、《通證經濟》、《鏈與未來》等行業權威著作，解讀區塊鏈等新型技術的推動下，金融與社會的升級之道，對經濟社會發展做出了重大貢獻。其中，《區塊鏈：重塑經濟與世界》曾作為新中國70周年重點推薦圖書之一被相關書店推薦。[2021/9/23 17:00:57]

國務院：推進科普與區塊鏈技術深度融合:為貫徹落實黨中央、國務院關于科普和科學素質建設的重要部署，依據《中華人民共和國科學技術進步法》、《中華人民共和國科學技術普及法》制定《全民科學素質行動規劃綱要（2021－2035年）》，其中要求實施智慧科普建設工程。推進科普與區塊鏈等技術深度融合，強化需求感知、用戶分層、情景應用理念，推動傳播方式、組織動員、運營服務等創新升級，加強“科普中國”建設，強化科普信息落地應用，與智慧教育、智慧城市、智慧社區等深度融合。（新華社）[2021/7/10 0:40:52]

理想情況下，所有的對等節點間都應該有一條路徑相連。但因為每個節點對網絡拓撲和其他對等節點只有一個不完整的視圖，所以網絡覆蓋層需要中間節點將消息轉發至正確目的。圖的結構為每對節點提供了多條中間路徑，因此就算對等節點改變，也可通過圖的連通性提供網絡的恢復能力。對每個對等節點來說，圖的連通性通過與其他對等節點的鄰接關系來反映。當對等節點加入或者離開網絡，鄰接的對等節點可能會持有不正確的鄰接信息。因此使用網絡覆蓋層維護機制保存更新的鄰接信息，使得所有節點間保持連通性。

歐科云鏈集團正式啟動區塊鏈科普行動“星途計劃”:歐科云鏈集團于4月26日，正式宣布啟動了區塊鏈科普行動——“星途計劃”，行動包括將在全國范圍展開系列沙龍，加大力度推進區塊鏈科普進機關、進國企、進校園等，聯合政府部門、行業協會等共同構建起更加完善和有效的區塊鏈科普教育生態，與此同時，直擊區塊鏈科普現存痛點，推出簡單易懂的“秒懂區塊鏈”公益短視頻課。

該計劃旨在全維度推動社會建立對產業更清晰的認知，與“鯤鵬計劃”一道助力數字經濟及區塊鏈產業本身健康發展夯實“人才”和“產業認知”兩大基礎。[2021/4/26 20:59:37]

P2P網絡中的參與者向其他網絡參與者提供部分資源。不需要中心化的協調者，每個對等節點都可貢獻計算周期，磁盤存儲和網絡帶寬。傳統的客戶端-服務器模型中，服務器提供資源，客戶端使用資源；與之相對的，在P2P網絡中，對等節點既是網絡資源的供應者，也是消費者。因此，P2P網絡可以很好地解決客戶端-服務器模型下的一些短板，比如可擴展性和單點故障。

聲音 | 中科院姚建銓：要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普 培訓:據新華網消息，日前，在區塊鏈與物聯網融合發展峰會上，中國科學院院士姚建銓說，關注區塊鏈技術里面的大數據，跟區塊鏈技術結合起來進行測量和檢測，能更好地提升激光清洗技術。姚建銓建議，無錫今后要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普、培訓，正確引導廣大人民群眾對技術的認知；同時，建立專業、權威，但又普適、成套的理論體系和標準，以此切入區塊鏈的實際應用。[2018/9/18]

一般來說，P2P網絡會有一個門檻，節點的資源貢獻高于這個門檻才能加入網絡。度量資源貢獻的標準應該是公平的，比如說，要求網絡中每個對等節點的平均貢獻應該在P2P系統總體平均值的統計范圍內等。資源貢獻應該是雙方互惠的。付出貢獻后可得到的利益，吸引著用戶加入P2P應用。

以太坊的P2P網絡是如何工作的？

科普時報：區塊鏈與云計算長期發展目標不謀而合:據《科普時報》今日報道，區塊鏈與云計算兩項技術的結合，從宏觀上來說，一方面，利用云計算已有的基礎服務設施或根據實際需求做相應改變，實現開發應用流程加速，滿足未來區塊鏈生態系統中初創企業、學術機構、開源機構、聯盟和金融等機構對區塊鏈應用的需求。另一方面，對于云計算來說，“可信、可靠、可控制”被認為是云計算發展必須要翻越的“三座山”，而區塊鏈技術以去中心化、匿名性，以及數據不可篡改為主要特征，與云計算長期發展目標不謀而合。[2018/5/4]

以太坊的官方客戶端節點軟件?Geth，基于一種覆蓋層維護機制實現了對等節點發現協議。雖然Kademlia是為了在P2P網絡中有效地定位和存儲內容而設計的，以太坊的P2P網絡只用它來發現新的對等節點。

Kademlia

以太坊網絡中，每個客戶端節點都配備有一個?

enode?ID，之后將此ID用SHA3算法

散列為一個256位的值。Kademlia使用XOR操作定義距離，因此兩個256位的數字之間的距離是他們的按位異或值。每個對等節點都擁有一個包含256個不同的桶的數據結構，每個桶i中存儲與本節點距離在2

i-1?到2

i?之間的16個節點。為了發現一個新的對等節點，以太坊節點選擇自己作為目標x，從桶中尋找到16個與目標x最近的節點，之后請求這16個節點，讓它們從自己的桶中各找出16個與目標x“更近”的節點并返回，這樣以來，會得到至多16x16個新發現的節點。之后請求這16x16個新發現的節點中離目標x最近的16個節點，讓它們返回與x更近的16個節點。這個過程持續迭代，直到沒有新節點被發現。

-異或操作示意圖-

-bucket與距離對應的示意圖-

對等節點間通信

Geth使用UDP連接交換P2P網絡的信息。有4種類型的UDP消息。一條?

*ping*?消息請求一條?

*pong*?消息作為返回。此對消息用來判斷相鄰節點是否可響應。一條?

*findnode*?消息請求一條?

*neighbors*?消息作為返回。當建立好對等節點的連接之后，Geth節點通過加密和認證的TCP連接來交換區塊鏈信息。

數據結構

Geth客戶端用兩種數據結構存儲其他節點的信息。第一種是稱作?

db?的長期數據庫，它存儲在磁盤內，客戶端重啟之后數據也是持久存在的。

db?中包含客戶端交互過的每個節點信息。db的每條記錄包含節點ID，IP地址，TCP端口，UDP端口，最后一次向節點發送ping的時間，最后一次從節點收到pong的時間，節點響應?

findnode?消息的失敗次數。如果最后一次從一個節點收到?

pong?消息的時間超過了一天，此節點將會被移出db。

第二種數據結構是稱作?table?的短期數據庫。當客戶端重啟時?table?是空的。table?包含256個桶，每個桶存儲至多16條記錄。每條記錄存儲其他以太坊節點的信息——節點的ID，IP地址，TCP端口和UDP端口。如果記錄中的某個節點對于?findnode?消息連續響應失敗，多于4次時將被移出table。

當某個客戶端第一次啟動時，它的db是空的，只知道6個硬編碼的引導節點。隨后，當客戶端開始發現對等節點，客戶端依據上面描述的機制，將節點加入db和table。

如果你想查閱更多關于以太坊P2P網絡的內容，可以參見下面一些由以太坊社區成員貢獻的文章：

“RLPxNodeDiscoveryProtocol”byFelixLange,Gustav-Simmonsson,andRomanMandeleil

“PeertoPeer”byFelixLange

“KademliaPeerSelection”byJamesRay

參考：

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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