理解以太坊的 P2P 网络|mile·米乐m6

此文目的协助你解读 P2P 网络，并阐释一些以太坊的构建细节。P2P 技术利用终端设备的非常丰富资源，需要减轻中心化系统的短板，而且从九十年代开始，这项技术就早已被 eMule，bitTorrent 和 Skype 等著名软件所使用。P2P 技术也是比特币或者以太坊区块链系统的核心组件（我们的项目 Shyft Network 就就是指这些区块链中派生出来的）。

很多人都听闻过 P2P，但是不告诉它究竟是什么。那竟然我们从理解什么是 P2P 网络开始吧。什么是 P2P网络？点对点（P2P）网络是一种网络覆盖层（overlay network）——就是说，它是创建在公开发表互联网之上的。从数学的角度来说，P2P 网络可以被视为一个有向图 G = (V,E)，其中 V 是网络中的对等节点子集，E 是对等节点所连成的边的子集（也即节点间连接的子集）。

每个对等节点 p 都有一个独一无二的标识号 pid。子集 E 中的边（p，q）指 p 可通过必要连接的路径向 q 发送到消息；也就是说，p 用于 q 的 pid 作为目的地址，在网络之上向 q 发送到消息。尽管在底层的 TCP/IP 网络中，相近的 IP 地址可以翻译为在地理位置上互相相似，但很少有这么具体的必要关联。

理想情况下，所有的对等节点间都应当有一条路径连接。但因为每个节点对网络拓扑和其他对等节点只有一个不原始的视图，所以网络覆盖层必须中间节点将消息发送至准确目的。图的结构为每对节点获取了多条中间路径，因此就算对等节点转变，也可通过图的连通性获取网络的恢复能力。

对每个对等节点来说，图的连通性通过与其他对等节点的相邻关系来体现。当对等节点重新加入或者离开了网络，相邻的对等节点可能会持有人不准确的相邻信息。因此用于网络覆盖层确保机制（Overlay maintenance mechanisms）留存改版的相邻信息，使得所有节点间维持连通性。P2P 网络中的参与者向其他网络参与者获取部分资源。

不必须中心化的协调者，每个对等节点都可贡献计算出来周期（CPU），磁盘存储和网络带宽。传统的 客户端-服务器 模型中，服务器获取资源，客户端用于资源；与之比较的，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 网络不会有一个门槛，节点的资源贡献低于这个门槛才能重新加入网络。度量资源贡献的标准应当是公平的，比如说，拒绝网络中每个对等节点的平均值贡献应当在 P2P 系统总体平均值的统计资料范围内等。

资源贡献应当是双方互助的。代价贡献后可获得的利益，更有着用户重新加入 P2P 应用于。

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，基于一种覆盖层确保机制 （称为 Kademlia 分布式哈希表格）构建了对等节点找到协议（RLPx 节点找到协议）。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 网络要用它来找到新的对等节点。Kademlia以太坊网络中，每个客户端节点都配有有一个 enode ID，之后将此 ID 用 SHA3 算法骑侍郎列入一个 256 位的值。

Kademlia 用于 XOR 操作者定义距离，因此两个 256 位的数字之间的距离是他们的按位密文值（bitwise exclusive OR）。每个对等节点都享有一个包括 256 个有所不同的桶（buckets）的数据结构，每个桶 i 中存储与本节点距离在 2i-1 到 2i 之间的 16 个节点。

为了找到一个新的对等节点，以太坊节点自由选择自己作为目标 x，从桶中找寻到 16 个与目标 x 最近的节点，网卓新闻网，之后催促这 16 个节点，让它们从自己的桶中各找到 16 个与目标 x “更加将近” 的节点并回到，这样以来，不会获得最少 16x16 个新发现的节点。之后催促这 16x16 个新发现的节点中离目标 x 最近的 16 个节点，让它们回到与 x 更加将近的 16 个节点。

这个过程持续递归，直到没新的节点被找到。对等节点间通信Geth 用于 UDP 相连互相交换 P2P 网络的信息。有 4 种类型的 UDP 消息。

一条 *ping* 消息催促一条 *pong* 消息作为回到。此对消息用来辨别邻接节点否可号召。一条 *findnode* 消息催促一条 *neighbors* 消息（其中包括 16 个早已被号召节点知悉的节点列表）作为回到。当创建好对等节点的相连之后，Geth 节点通过加密和证书的 TCP 相连来互相交换区块链信息。

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