EFI:科普 | 理解以太坊的 P2P 網絡

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。

民盟中央建議加速元宇宙科普和立法:3月4日消息，民盟中央已起草了《關于“元宇宙”技術發展的提案》，并將提交全國政協十三屆五次會議。在提案中，民盟中央建議，在科普層面需加速知識傳播，法律層面則需加快立法步伐。民盟中央擬提交的提案指出，目前，在新興網絡層面，相關政策法規相對缺失。“元宇宙”在未來將會帶動形成全新的網絡形態，當遇到突發輿情，全虛擬的環境、場景將更難進行源頭追蹤、問題疏導。因此建議應盡早加快立法研究，盡快形成與技術、市場發展相適應的治理模式和法律基礎，全面提升我國社會治理的水平。建議組織相關部門，針對“元宇宙”相關需求、風險進行立法研究，并盡快發布。此前消息，民進中央擬向全國政協十三屆五次會議提交《關于積極穩妥推進元宇宙技術和產業發展的提案》。建議推進元宇宙技術產業發展，建立相關監管治理體系。（華夏時報）[2022/3/4 13:37:12]

歐易OKEx將于3月18日推出DeFi系列科普視頻:據歐易OKEx官方消息顯示，歐易OKEx將正式推出DeFi系列科普視頻《歐易DeFi20講》，本系列節目由歐易OKEx亞太區CEO馬克金主講。該視頻首期將于3月18日11:00(HKT)推出，用戶可以在歐易OKEx官方學院、金色財經觀看。

《歐易DeFi20講》主要包含DeFi入門指南、全景解讀DeFi生態及如何參與DeFi三個篇章，可以輕松使用戶了解DeFi原理，洞察DeFi價值，掌握DeFi熱點，更多詳情請關注歐易OKEx官方學院。[2021/3/18 18:55:59]

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。

火幣推出《一分鐘讀懂DeFi》系列科普視頻:據官方消息，8月24日，火幣推出《一分鐘讀懂DeFi》系列科普視頻，并與微博財經合作冠名播出，布道DeFi認知，助力行業發展《一分鐘讀懂DeFi》是由火幣成長學院打造的業內首個系統全面講解DeFi的系列科普動畫，繼推出《區塊鏈100問》后的再續佳作。《一分鐘讀懂DeFi》系列動畫對DeFi的發展進行系統梳理，適合想要由淺入深、全面系統了解區塊鏈DeFi的人們輕松了解DeFi。目前視頻已由火幣網官方微博發布。[2020/8/24]

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。

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]

聲音 | ETC Labs主管：科普教育是未來幾年公鏈面臨的巨大挑戰:ETCLabs主管Darin Kotalik認為，科普教育是未來幾年公鏈面臨的巨大挑戰，人們必須要對區塊鏈有基本的認識，分清楚公鏈和私鏈的區別。[2019/8/25]

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？

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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