根據(jù)前一篇文章《從微觀到宏觀理解區(qū)塊鏈》我們已經(jīng)了解到她奥，微觀上黎做，區(qū)塊鏈本質(zhì)就是一種不可篡改且可追蹤溯源的哈希鏈條；宏觀上靖避，還具備了另外三個基本特征：分布式存儲、P2P 網(wǎng)絡和共識機制比默。分布式存儲無非就是網(wǎng)絡上大部分節(jié)點都保存了整條區(qū)塊鏈幻捏，這容易理解也不復雜，所以就沒必要再展開細講了命咐。但區(qū)塊鏈的 P2P 網(wǎng)絡和共識機制相對則復雜得多粘咖，因此我將用兩篇文章分別展開講講這兩部分內(nèi)容，本篇文章就先來了解區(qū)塊鏈的 P2P 網(wǎng)絡侈百。

P2P 網(wǎng)絡

由于大部分人對 P2P 網(wǎng)絡了解甚少瓮下，因此有必要先聊聊 P2P 網(wǎng)絡的一些基本原理翰铡。這個章節(jié)的內(nèi)容主要來自《P2P對等網(wǎng)絡原理與應用》這本書，這本書較為系統(tǒng)地介紹了 P2P 的理論基礎(chǔ)讽坏，非常適合希望全面掌握 P2P 知識的初級讀者锭魔，建議大伙都可以看看。

P2P 網(wǎng)絡不同于傳統(tǒng)的客戶端/服務端(client/server,C/S)結(jié)構(gòu)路呜，P2P 網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以既是客戶端也是服務端迷捧，因此也不適合使用 HTTP 協(xié)議進行節(jié)點之間的通信，一般都是直接使用 Socket 進行網(wǎng)絡編程胀葱。

P2P 主要存在四種不同的網(wǎng)絡模型漠秋，也代表著 P2P 技術(shù)的四個發(fā)展階段：集中式、純分布式抵屿、混合式和結(jié)構(gòu)化模型庆锦。不過需要指出的是，這里所說的網(wǎng)絡模型主要是指路由查詢結(jié)構(gòu)轧葛，即不同節(jié)點之間如何建立連接通道搂抒，兩個節(jié)點之間一旦建立連接，具體傳輸什么數(shù)據(jù)則是兩個節(jié)點之間的事情了尿扯。

最簡單的路由方式就是集中式求晶，即存在一個中心節(jié)點保存了其他所有節(jié)點的索引信息，索引信息一般包括節(jié)點 IP 地址衷笋、端口芳杏、節(jié)點資源等。集中式路由的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單辟宗、實現(xiàn)容易蚜锨。但缺點也很明顯，由于中心節(jié)點需要存儲所有節(jié)點的路由信息慢蜓，當節(jié)點規(guī)模擴展時，就很容易出現(xiàn)性能瓶頸郭膛；而且也存在單點故障問題晨抡。

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那第二種路由結(jié)構(gòu)則是純分布式的，移除了中心節(jié)點则剃，在 P2P 節(jié)點之間建立隨機網(wǎng)絡耘柱，就是在一個新加入節(jié)點和 P2P 網(wǎng)絡中的某個節(jié)點間隨機建立連接通道，從而形成一個隨機拓撲結(jié)構(gòu)棍现。新節(jié)點加入該網(wǎng)絡的實現(xiàn)方法也有很多種调煎，最簡單的就是隨機選擇一個已經(jīng)存在的節(jié)點并建立鄰居關(guān)系。像比特幣的話己肮，則是使用 DNS 的方式來查詢其他節(jié)點士袄，DNS 一般是硬編碼到代碼里的悲关，這些 DNS 服務器就會提供比特幣節(jié)點的 IP 地址列表，從而新節(jié)點就可以找到其他節(jié)點建立連接通道娄柳。新節(jié)點與鄰居節(jié)點建立連接后寓辱，還需要進行全網(wǎng)廣播，讓整個網(wǎng)絡知道該節(jié)點的存在赤拒。全網(wǎng)廣播的方式就是秫筏，該節(jié)點首先向鄰居節(jié)點廣播，鄰居節(jié)點收到廣播消息后挎挖，再繼續(xù)向自己的鄰居節(jié)點廣播这敬，以此類推，從而廣播到整個網(wǎng)絡蕉朵。這種廣播方法也稱為泛洪機制崔涂。純分布式結(jié)構(gòu)不存在集中式結(jié)構(gòu)的單點性能瓶頸問題和單點故障問題，具有較好的可擴展性墓造，但泛洪機制引入了新的問題堪伍，主要是可控性差的問題，包括兩個較大的問題觅闽，一是容易形成泛洪循環(huán)帝雇，比如節(jié)點 A 發(fā)出的消息經(jīng)過節(jié)點 B 到 節(jié)點 C，節(jié)點 C 再廣播到節(jié)點 A蛉拙，這就形成了一個循環(huán)尸闸；另一個棘手問題則是響應消息風暴問題，如果節(jié)點 A 想請求的資源被很多節(jié)點所擁有孕锄，那么在很短時間內(nèi)吮廉，會出現(xiàn)大量節(jié)點同時向節(jié)點 A 發(fā)送響應消息，這就可能會讓節(jié)點 A 瞬間癱瘓畸肆。

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在 P2P 網(wǎng)絡中熔脂，可以抽象出兩種空間：資源空間和節(jié)點空間。資源空間就是所有節(jié)點保存的資源集合蓖乘，節(jié)點空間就是所有節(jié)點的集合。對所有資源和節(jié)點分別進行編號韧骗，如把資源名稱或內(nèi)容用 Hash 函數(shù)變成一個數(shù)值（這也是 DHT 常用的一種方法）嘉抒，這樣，每個資源就有對應的一個 ID袍暴，每個節(jié)點也有一個 ID些侍，資源 ID 和節(jié)點 ID 之間建立起一種映射關(guān)系隶症，比如，將資源 n 的所有索引信息存放到節(jié)點 n 上岗宣，那要搜索資源 n 時蚂会，只要找到節(jié)點 n 即可，從而就可以避免泛洪廣播耗式，能更快速而又準確地路由和定位數(shù)據(jù)胁住。當然，在實際應用中刊咳，資源 ID 和節(jié)點 ID 之間是無法做到一一對應的彪见，但因為 ID 都是數(shù)字，就存在大小關(guān)系或偏序關(guān)系等娱挨，基于這些關(guān)系就能建立兩者的映射關(guān)系余指。這就是 DHT 的核心思想弯汰。DHT 算法在資源編號和節(jié)點編號上就是使用了分布式哈希表瑰谜，使得資源空間和節(jié)點空間的編號有唯一性、均勻分布式等較好的性質(zhì)殴穴，能夠適合結(jié)構(gòu)化分布式網(wǎng)絡的要求柴钻。

綜上淮韭，這就是 P2P 網(wǎng)絡的一點理論基礎(chǔ)，不同的區(qū)塊鏈可能會使用不一樣的網(wǎng)絡模型顿颅，但基本原理是一樣的缸濒。后面分別講解下最有代表性的兩個區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡：比特幣網(wǎng)絡和以太坊網(wǎng)絡。

比特幣網(wǎng)絡

首先粱腻，比特幣網(wǎng)絡中的節(jié)點主要有四大功能：錢包庇配、挖礦、區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫绍些、網(wǎng)絡路由捞慌。每個節(jié)點都會具備路由功能，但其他功能不一定都具備柬批，不同類型的節(jié)點可能只包含部分功能啸澡，一般只有比特幣核心(bitcoin core)節(jié)點才會包含所有四大功能。

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所有節(jié)點都會參與校驗和廣播交易及區(qū)塊信息氮帐，且會發(fā)現(xiàn)和維持與其他節(jié)點的連接嗅虏。有些節(jié)點會包含完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫，包括所有交易數(shù)據(jù)上沐，這種節(jié)點也稱為全節(jié)點(Full Node)皮服。另外一些節(jié)點只存儲了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫的一部分，一般只存儲區(qū)塊頭而不存儲交易數(shù)據(jù)，它們會通過“簡化交易驗證(SPV)”的方式完成交易校驗龄广，這樣的節(jié)點也稱為 SPV節(jié)點或輕節(jié)點(Lightweight Node)硫眯。錢包一般是 PC 或手機客戶端的功能，用戶通過錢包查看自己的賬戶金額择同、管理錢包地址和私鑰两入、發(fā)起交易等。除了比特幣核心錢包是全節(jié)點之外敲才，大部分錢包都是輕節(jié)點裹纳。挖礦節(jié)點則通過解決工作量證明(PoW)算法問題，與其他挖礦節(jié)點相互競爭創(chuàng)建新區(qū)塊归斤。有些挖礦節(jié)點同時也是全節(jié)點痊夭，即也存儲了完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫，這種節(jié)點一般都是獨立礦工(Solo Miner)脏里。還有一些挖礦節(jié)點不是獨立挖礦的她我，而是和其他節(jié)點一起連接到礦池，參與集體挖礦迫横，這種節(jié)點一般也稱為礦池礦工(Pool Miner)番舆。這會形成一個局部的集中式礦池網(wǎng)絡，中心節(jié)點是一個礦池服務器矾踱，其他挖礦節(jié)點全部連接到礦池服務器恨狈。礦池礦工和礦池服務器之間的通信也不是采用標準的比特幣協(xié)議，而是使用礦池挖礦協(xié)議呛讲，而礦池服務器作為一個全節(jié)點再與其他比特幣節(jié)點使用主網(wǎng)絡的比特幣協(xié)議進行通信禾怠。

在整個比特幣網(wǎng)絡中，除了不同節(jié)點間使用比特幣協(xié)議作為通信協(xié)議的主網(wǎng)絡贝搁，也存在很多擴展網(wǎng)絡吗氏，包括上面提到的礦池網(wǎng)絡。不同的礦池網(wǎng)絡可能還會使用不同的礦池挖礦協(xié)議雷逆，目前主流的具體礦池協(xié)議應該是 Stratum協(xié)議弦讽，該協(xié)議除了支持挖礦節(jié)點，也支持瘦客戶端錢包膀哲。一個包含了比特幣協(xié)議主網(wǎng)絡各種節(jié)點和 Stratum 網(wǎng)絡往产，以及其他礦池網(wǎng)絡的擴展比特幣網(wǎng)絡大概如下圖所示：

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另外，挖礦這塊還有特殊需求某宪。我們知道仿村，礦工創(chuàng)建新區(qū)塊后，是需要廣播給全網(wǎng)所有節(jié)點的兴喂，當全網(wǎng)都接受了該區(qū)塊蔼囊，給礦工的挖礦獎勵才算是有效的包颁，這之后才好開始下一個區(qū)塊 Hash 的計算。所以礦工必須最大限度縮短新區(qū)塊的廣播和下一個區(qū)塊 Hash 計算之間的時間压真。如果礦工之間傳播區(qū)塊只采用上圖所示的比特幣協(xié)議網(wǎng)絡，那無疑會有很高的網(wǎng)絡延遲蘑险，所以滴肿，需要一個專門的傳播網(wǎng)絡用來加快新區(qū)塊在礦工之間的同步傳播，這個專門網(wǎng)絡也叫比特幣傳播網(wǎng)絡或比特幣中繼網(wǎng)絡(Bitcoin Relay Network)佃迄。

以太坊網(wǎng)絡

和比特幣一樣泼差，以太坊的節(jié)點也具備錢包、挖礦呵俏、區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫堆缘、網(wǎng)絡路由四大功能，也同樣存在很多不同類型的節(jié)點普碎，除了主網(wǎng)絡之外也同樣存在很多擴展網(wǎng)絡吼肥。但與比特幣不同的，比特幣主網(wǎng)的 P2P 網(wǎng)絡是無結(jié)構(gòu)的麻车，但以太坊的 P2P 網(wǎng)絡是有結(jié)構(gòu)的缀皱。前面我們已經(jīng)提過，以太坊的 P2P 網(wǎng)絡主要采用了 Kademlia(簡稱 Kad) 算法實現(xiàn)动猬，Kad 是一種分布式哈希表(DHT)技術(shù)啤斗，使用該技術(shù)，可以實現(xiàn)在分布式環(huán)境下快速而又準確地路由赁咙、定位數(shù)據(jù)的問題钮莲。所以，下面主要講解下以太坊的 Kad 網(wǎng)絡彼水。

在 Kad 網(wǎng)絡中崔拥，每個節(jié)點都具有一個唯一的節(jié)點 ID。另外猿涨，也會計算不同節(jié)點之間的距離握童，但這個距離不是物理上的距離，而是邏輯上的距離叛赚，是通過對兩個節(jié)點 ID 進行 異或(符號為^) 計算得到的澡绩，即 A、B 兩節(jié)點之間的距離的計算公式為：D(A,B) = A.ID^B.ID俺附。異或有一個重要的性質(zhì)：假設 a肥卡、b、c 為任意三個數(shù)事镣，如果 a^b = a^c 成立步鉴，那就一定 b = c。因此，如果給定一個結(jié)點 a 和距離 L氛琢，那就有且僅有一個結(jié)點 b, 會使得 D(a,b) = L喊递。通過這種方式，就能有效度量 Kad 網(wǎng)絡中不同節(jié)點之間的邏輯距離阳似。

在異或距離度量的基礎(chǔ)上骚勘，Kad 還可以將整個網(wǎng)絡拓撲組織成如下圖所示的一個二叉前綴樹，每個 NodeID 會映射到二叉樹上的某個葉子撮奏。

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1. 將 NodeID 以二進制形式表示俏讹，然后從高到低對每一位的 0 或 1 依次處理；
2. 二進制的第 n 位就對應了二叉樹的第 n 層畜吊；
3. 如果該位是 0泽疆，進入左子樹，是 1 則進入右子樹（反過來也可以）玲献；
4. 全部位都處理完后殉疼，這個 NodeID 就對應了二叉樹上的某個葉子。

在這種二叉樹結(jié)構(gòu)下捌年，對每個節(jié)點來說株依，離它越近的節(jié)點異或距離也是越近的。接著延窜，可以按照離自己異或距離的遠近恋腕，對整顆二叉樹進行拆分。拆分規(guī)則是：從根節(jié)點開始逆瑞，將不包括自己的那顆子樹拆分出來荠藤，然后在包含自己的子樹中，把不包括自己的下一層子樹再拆分出來获高，以此類推哈肖，直到只剩下自己。以上圖的 110 節(jié)點為例念秧，從根節(jié)點開始淤井，由于 110 節(jié)點在右子樹，所以將左邊的整顆子樹拆分出來摊趾，即包含 000币狠、001、010 這三個節(jié)點的這顆子樹砾层；接著漩绵，到第二層子樹，將不包含 110 節(jié)點的左子樹再拆分出來肛炮，即包含 100 和 101 這兩個節(jié)點的子樹止吐；最后宝踪，再將 111 拆分出來。這樣碍扔，就將 110 節(jié)點之外的整個二叉樹拆分出了三顆子樹瘩燥。

完成子樹拆分后，只要知道每個子樹里面的其中一個節(jié)點不同，就可以進行遞歸路由實現(xiàn)整顆二叉樹所有節(jié)點的遍歷颤芬。但在實際場景下，由于節(jié)點是動態(tài)變化的套鹅，所以一般不會只知道每個子樹的一個節(jié)點，而是需要知道多個節(jié)點汰具。因此卓鹿，Kad 中有一個叫 K-桶(K-bucket)的概念，每個桶會記錄每顆子樹里所知道的多個節(jié)點留荔。其實吟孙，一個K-桶就是一張路由表，如果拆分出來有 m 顆子樹聚蝶，那對應節(jié)點就需要維護 m 個路由表杰妓。每個節(jié)點都會各自維護自己的 m 個 K-桶，每個 K-桶里記錄的節(jié)點信息一般會包括 NodeID碘勉、IP巷挥、Endpoint、與 Target 節(jié)點（即維護該 K-桶的節(jié)點）的異或距離等信息验靡。以太坊中倍宾，每個節(jié)點維護的 K-桶數(shù)量為 256 個，這 256 個 K-桶會根據(jù)與 Target 節(jié)點的異或距離進行排序胜嗓，每個 K-桶保存的節(jié)點數(shù)量上限是 16高职。

在以太坊的 Kad 網(wǎng)絡中，節(jié)點之間的通信是基于 UDP 的辞州，另外設置了 4 個主要的通信協(xié)議：

1. Ping：用于探測一個節(jié)點是否在線
2. Pong：用于響應 Ping 命令
3. FindNode：用于查找與 Target 節(jié)點異或距離最近的其他節(jié)點
4. Neighbours：用于響應 FindNode 命令怔锌，會返回一或多個節(jié)點

通過以上 4 個命令，就可以實現(xiàn)新節(jié)點的加入变过、K-桶的刷新等機制埃元。具體的實現(xiàn)流程就不細講了，留給大伙自己去思考媚狰。

總結(jié)

不同結(jié)構(gòu)的 P2P 網(wǎng)絡亚情，會有不同的優(yōu)點和缺點。比特幣網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)明顯容易理解哈雏，實現(xiàn)起來也相對容易得多楞件，而以太坊網(wǎng)絡引入了異或距離衫生、二叉前綴樹、K-桶等土浸，結(jié)構(gòu)上復雜不少罪针，但在節(jié)點路由上的確會比比特幣快很多。另外黄伊，不管是比特幣還是以太坊泪酱，其實都只是一種或多種協(xié)議的集合，不同節(jié)點其實可以用不同的具體實現(xiàn)还最，比如墓阀，比特幣就有用 C++ 實現(xiàn)的 Bitcoin Core，還有用 Java 實現(xiàn)的 BitcoinJ拓轻；以太坊也有用 Go 語言實現(xiàn)的 go-ethereum斯撮，也有用 C++ 實現(xiàn)的 go-ethereum，還有用 Java 實現(xiàn)的 Ethereum(J)扶叉。

思考和實踐

在以太坊的 Kad 網(wǎng)絡中勿锅，新節(jié)點的加入和 K-桶的刷新流程是怎樣的？比特幣的新節(jié)點加入流程又是怎樣的枣氧？哈希表有哪些實現(xiàn)方式溢十？