DISC:科普 | 點對點網絡組建：從 Kademlia 到 Discv5

作者:dean

翻譯&校對:裴奇&阿劍

來源：以太坊愛好者

如果你一直在研究以太坊或者相關的技術，你可能聽說過discv4或discv5。但這些究竟是什么呢？它們是如何工作的呢？它們出眾的地方在哪里呢？想要回答這些問題，我們需要從頭開始梳理一下。這篇博文假定讀者對這個領域比較陌生，因此沒有技術背景的人也可以閱讀。

開篇

故事的開端：在P2P網絡中，節點的相互發現及網絡成型的過程會面臨一些問題。

早年間的P2P文件共享技術，比如Napster，使用單個服務器共享信息，信息中記錄誰擁有什么文件。某個節點向中心服務器發起連接并提交記錄自己所擁有文件的列表。另一個節點之后向同一個中心服務器發起連接，尋找自己所需文件的存儲節點，然后和找到的節點建立聯系。然而這是一個有缺陷的系統——系統很容易遭受攻擊，而且中心化服務器節點可能會吃官司。

因此，點對點網絡亟需另一種解決方案。研究者們經過數年研究和實驗，提出了分布式哈希表。

分布式哈希表

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]

2001年，研究者們為DHT提出了4種新的協議，分別是Tapestry、Chord、CAN以及Pastr，這4個協議在核心功能上各有取舍和改變，因此擁有不同的特性。

上文中一直都在說DHT。那么DHT到底是什么呢？

分布式哈希表是一個分布式的鍵值列表。參與到DHT的節點可以很輕松地檢索到某個鍵對應的值。

假定一個網絡中，有9個鍵值對和3個節點，理想情況下，每個節點只需要存儲3個鍵值對，意味著如果要更新某個鍵值對，只有部分網絡節點需要更新。大致想法是這樣的，網絡中的任何節點都可以基于信息在節點間分布的方式，知道要去哪里尋找它所需要的特定鍵值對。

現場 | 火幣中國推出數字經濟及區塊鏈產業科普新書:金色財經現場報道，12月6日，由海南省工業和信息化廳主辦，南南合作金融中心協辦，海南生態軟件園、火幣中國承辦的“海南自貿港數字經濟和區塊鏈國際合作論壇”在海口舉行，這是全球首次區塊鏈部長級論壇。

在本次論壇上，火幣中國舉行了“數字經濟及區塊鏈產業科普系列新書發布”儀式，希望通過教材、專業教育、培訓等多種方式，幫助從業者、高校、研究機構深入了解區塊鏈，從而建立起區塊鏈全局性知識模型，真正推動區塊鏈應用落地。火幣中國CEO袁煜明介紹，將聯合機械工業出版社面向普通高等教育推出《區塊鏈導論》、《區塊鏈系統設計與應用》和《區塊鏈新商業模式分析》系列教材，這是國內最早推動的區塊鏈教材之一；火幣中國還積極參與數字經濟的研究，由中信出版社出版的新書《讀懂Libra》已經上市；由火幣中國負責編寫的區塊鏈技術科普讀物《區塊鏈技術進階指南》將于12月面世；首本行業內最全的區塊鏈應用案例集《區塊鏈產業應用100例》在本次論壇進行了首次刊印。[2019/12/6]

Kademlia

現在我們知道DHT是什么了，那我們來看看discv4的前身Kademlia。Kademlia是PetarMaymounkov和DavidMazières于2002年發明的DHT協議。我覺得這個協議可能是最流行，而且使用最廣泛的DHT協議。它的工作原理很簡單，讓我們來看看吧。

動態 | 幣安科普MimbleWimble算法:幣安官方推特今日發布隱私算法Mimblewimble的科普貼，在下方留言區大量網友留言猜測是否是基于 Mimblewimble算法的隱私幣Grin或者Beam即將登陸幣安交易所，其中猜測Grin的呼聲更高。[2019/9/2]

在Kademlia中，節點和值通過距離來排列。這里的距離不是地理位置上的距離，而是基于標識符的表示方法。通過使用一些距離函數，可以計算出兩個標識符之間的距離。

Kademlia使用XOR作為距離函數。XOR函數的特點在于，只有當輸入不同時，輸出才為true。下面是用二進制標識符表示的例子。

上面的這個例子是說，十進制數字153和50之間的距離是171。

使用XOR作為距離函數有很多原因，包括：

某個ID與它自己的距離是0。

距離是對稱的，A到B的距離和B到A的距離相同。

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]

遵循三角不等式，如果A，B，C是三角形上的三點，那么A到B的距離，小于或等于A到C的距離加上B到C的距離。

綜上，節點可以根據距離函數來確定哪個節點離它更近，并基于這種“距離”來做決策。

Kademlia節點存儲著一個路由表。路由表中包含多個列表。每后一個列表所記載的節點都比前一個列表中的節點離得遠一點。每個節點維護離自己最近節點的信息；另一個節點離得越遠，本地節點保存的相關信息就越少。

假定我想要找到一個特定的節點。我要做的就是向我已知的節點發送請求，這些節點返回他們的記錄中離我的目標節點更近的鄰居節點。我重復此過程，直到某群鄰居幫我找到目標節點。

財政部副部長朱光耀：數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展:今日，在中國發展高層論壇2018年會上，財政部副部長朱光耀表示：“數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展。也要關注數字經濟的其他影響，包括稅收征管、反洗錢監管措施等要跟上。”[2018/3/25]

對值來說也是同樣的過程。值跟節點之間的距離是確定的，因為值和節點的標識符ID以相同的方式組織，因此我們可以計算這個距離。如果我想查找一個值，我只需要尋找離這個值的鍵最近的鄰居節點，直到找到存儲這個值的節點。

為了讓Kademlia節點支持這些功能，協議通過下面這些消息來通信。

PING-用來檢測一個節點是否還在運行。

STORE-在一個節點上存儲給定鍵的值。

FINDNODE-向給定ID返回所請求的最近節點。

FINDVALUE-和FINDNODE一樣，區別在于，如果一個節點存儲著特定的值，它將會直接將值返回。

這是對Kademlia的一個非常簡化的講解，中間跳過了各種重要的細節。想要更全面的了解，力薦原論文或者更深層次的設計規范。

Discv4

對背景做好鋪墊之后，終于來到discv4了，這是以太坊當前的節點發現協議。Discv4協議本身是基于Kademlia的，但在某些部分做了改動。例如，discv4中不再使用DHT中的值部分。

Kademlia主要用于網絡的組織，因此我們可以使用路由表定位其他節點。但discv4中完全不使用DHT中的值部分，因此我們可以拋棄Kademlia中使用的命令FINDVALUE和STORE。

前文中，Kademlia的查詢方法描述了節點如何得到對等節點。節點向另一些節點發起請求，得到離自己更近的節點。重復此請求過程，直到無法找到任何新的節點。

此外，discv4添加了相互的終端驗證功能。這是為了確保發起FINDNODE請求的節點正在參與同一個節點發現協議。

最后，所有的discv4節點都應該維護最新的ENR記錄。記錄里包含一個節點的信息。任何節點都可以使用特定于discv4的包，叫做ENRRequest，去請求ENR記錄。

如果你想知道關于ENRs的更多細節，請移步至我的另一篇博文NetworkAddressesinEthereum。

然而，discv4也引入了一些問題。讓我們來看看其中的幾個。

首先，按照discv4目前的工作方式，是無法區分節點間的次級協議的。也就是說，如果一個以太坊節點將以太坊Classic節點，Swarm或Whisper節點加入它的DHT，那么只有和這些節點發生多次通信之后，才能發現這些節點的無效性。這種無法區分次級協議的能力使得它很難找到特定的節點，比如支持輕客戶端的以太坊節點。

其次，為了防御重放攻擊，discv4使用了時間戳。當某個主機的時鐘發生錯誤時，這種方式會導致各種各樣的問題。欲了解更多詳情，請查閱discv4規范的“KnownIssues”部分。

最后，終端的互驗證工作中也存在問題。因為信息有丟包的可能，所以沒有辦法斷定兩個對等節點是否都已驗證過對方。也就是說，我們可能自認為已經被驗證過了，但跟我們通信的對等節點卻并不這么認為；他們可能會因此丟棄我們的FINDNODE包。

Discv5

最后，讓我們來看一下discv5。Discv5是discv4的迭代版本，將作為Eth2.0的節點發現協議。Discv5旨在修復discv4中存在的諸多問題。

第一個改變是FINDNODE的工作方式。傳統的Kademlia以及discv5都使用標識符。而在discv5中，我們使用對數距離，也就是說，發送FINDNODE請求后，響應中包含的節點，都與發送方節點在特定的對數距離內。

對數距離指：先計算出距離，然后使用以2為底數的log函數，即log2(AxorB)。

其次一個很重要的改變就是discv5一直致力于解決的，存在于discv4的最大問題：次級協議的區分。Discv5添加了主題表。主題表是先進先出的列表，表中包含提供特定服務的節點。節點通過在對等節點中注冊廣告將自己添加進這個列表。

截至本文寫作之時，這個次級協議區分方案中的寫操作依然存在一些問題。對一個節點來說，目前沒有有效的方法將廣告發布在多個對等節點上，因此需要向每個對等節點發送單獨的請求，這對于大規模網絡來說效率很低。

此外，一個節點向多少個對等節點上發布廣告，以及向哪些對等節點投放都是不清楚的。更多詳情請查閱devp2p#136。

Discv5中還有很多小的改變，但是這些改變沒那么重要，因此在這篇總結中就省略了。

雖然discv5解決了一些discv4中存在的問題，但還有一些問題，discv5仍沒有解決，比如不可靠的終端驗證。寫這篇博文之時，discv5還沒有提出新的方法去提升終端驗證的處理過程。

正如你所見，discv5的工作仍在進行中，目前還需要克服一些很大的挑戰。如果這個協議解決了這些問題，那么它將會是對原始Kademlia實現的一個巨大提升。

希望這篇文章能幫助你理解什么是發現協議以及發現協議是如何工作的。如果你對整個協議感興趣，可以在github上查閱。

原文鏈接:?https://vac.dev/kademlia-to-discv5

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