P2P 的网络思考

hi 欢迎来到小秘课堂第六期，今天我们来讲讲P2P 的网络思考的那些事儿，欢迎主讲人罗超

讲师：罗超

编辑：Leo

前言

P2P 网络中每个节点具有完全相同功能，既提供服务又提供客户端访问。使得可扩展性非常强，随意增加或者减少节点，对整个网络服务不会产生有很大影响。P2P 网络和现在 Internet 上大部分网络之间最大区别在于：现有大部分网站是 C/S（Client / Server）架构，而 C/S 架构则有一个强依赖。如果中心节点挂掉，Client 节点将无法工作。

P2P 和 C/S 架构区别是：P2P 架构没有一个中心节点，每一个节点其实都是一个小中心，这样网络上只要存在节点，那么整个服务就能继续进行。

比特币 P2P 网络

按照顺序，我们从比特币节点启动开始，给大家讲解如何同步到最高高度、出块、转发交易。

节点启动

首先是启动。启动就有一个节点发现的过程。比特币客户端启动时，有四种选择来连接该网络。

1. 用命令行强指定链接某个节点，那么就会去连接。

2. 如果没有命令行指定，就在本地节点查询是否有存储的、连接过的 IP 地址。如果有，就尝试链接。如果无法链接，则选择第三步 。

3. 如果没有命令行指定，也链接不上之前链接过的 IP 地址，那么在比特币每次发版时，在代码里面硬编码了一些 DNS 的服务器，这些服务器可以理解为我们现在 Internet 中，网址和 IP 对应的服务器。这个服务器本身可能是静态或者是动态的，如果节点查到有相应服务器的话，就向相应地址发起连接请求。如果还不能链接上，那么就到最后一步 。

4. 客户端维护了一个活跃节点列表，客户端和他们链接能够获取一些网络的信息 。（这个感觉有点像你实在找不到人求救的时候还能打 110 的固定电话）

这就是比特币网络发现节点的过程，和普通的一些分布式应用节点发现类似，（在版本编码时）都有一个类似注册中心。如果没有直接指定，节点就会向注册中心发起一些查询工作来寻找可以连接的节点。

查询到可连接 IP 后

那么下一步，本地节点如果已经链接到可用 IP 时，会做什么？ 

首先，比特币知道 IP 时，将对远端节点发送 Version 消息，里面会有自己客户端的型号、版本号、类型（轻节点、全节点或者验证节点）。远端节点收到这个消息之后会根据自己的版本号、能够接受的消息来返回消息。如果这个消息验证结果是我能和这个节点通信，那么就会返回一个消息 verack ，远端节点也会同时向节点发布一个 Version 确定自己版本和节点类型。请求 verack 之后本地节点就向远端节点发送它记录的 IP 节点的 list，就把活跃的 list 存在数据库，方便以后快速启动节点。 

同步策略

在新节点链接上网络时，本地没有数据，这时需要向远端节点请求一些历史数据同步整个链的数据到本地。这里有两个策略：分别是版本 0.9.3 之前的 Blocks-first 策略，和 0.10 之后的 Headers-first 策略，对比图如下：

实际上交互模式是一样的，首先是 hash 或者 header。hash 是每个块的 hash，每个块的块头会有一个代表整个块的 hash，headers-first 则将每个块的 headers 拿过来。之后是用 header 或者 hash 向远端节点请求 blocks，然后往复进行。看上去协议都差不多，可为什么要这样做？ 

Blocks-first 问题

Blocks-first 唯一优点是实现方便，但它存在下面几个问题：

首先，我的节点链接到其他节点时，实际上如果没有断掉就会一直请求数据。那么如果这是一个做恶节点？它会返回一些并不是最大工作量证明的 hash，而本地节点不知道 hash 里面是什么，只会根据返回的 hash list 去请求。最后同步到什么状态呢？Bitcoin 每到一定高度会有 check point 的点，会检查同步的块是最大工作量证明还是错误的块。如果连接的节点是恶意节点，那么，我的节点只有到 check point 时，才会发现我同步的几块是错误的，这样导致我本地服务器的磁盘消耗会非常大，一般是几个甚至是几十个 G 之后发现这些是无效数据。

其次，是速度限制。Blocks- first 协议规定，如果这个连接没有中断的话，将一直向同一个节点请求数据。如果，远端节点上传和下载数据受到限制，本地节点同步的速度将受到限制。

最后，是高内存占用。Blocks-first 策略请求的是块的 hash，一个问题就是协议要求远端节点的 hash 是完全按照顺序发送的。如果没有按照顺序本地节点将无法验证，从而导致乱序的块。这样的块如果找不到 parents block，比特币就会把这些块定义为孤儿块，会把它们临时存放在一个内存中，直到请求到完整的 parents block 之后才会把 parents block 和孤儿块入库。这时候如果远端节点做恶的话，先给很多高度很高的块，前面的都不给（也就是没有 parents blocks），每个块需要几 k，几十万个块就能把你的内存撑爆。

Headers-first 策略

Headers-first 的策略闪亮登场。这个策略会把整个链的 headers 全部下载下来，headers 里面包括所有 block 的 hash 以及 parents 的 hash，可以用 headers 串起一条链。虽然不知道交易是什么，但是能够从 headers 里面确定链是连续的，不连续会扔掉孤儿块。并且根据官方验证，一个新的节点同步整个链的话，只需要 30m 的存储能够把整个链全部同步下来，磁盘消耗非常小。

那么速度限制怎么解决？headers 一次请求是 2000 个块的步长。如果请求验证没问题的话，就会把 haeder hash 16 个一组发送给所有能够连接到的节点，来验证是不是对的，然后把对应的 header 的 block 给他，这样同步的时候不会被某个节点的网络限制，可以获取一批 blocks 向四周发送同步请求。

这就是比特币的同步策略。相比于 blocks-first 策略，headers-first 策略解决了1、速度限制；2、无效下载；3、高内存占用三个问题。

新块广播

接下来，同步到最高高度的时候，如果是挖矿节点就会涉及到挖矿广播的问题。 我发现了下一个块的 hash，我就会把块广播给我链接到的所有节点来获取奖励，这时候广播会有三种模式 ：

1、推送式。这一种用的比较少。只要能链接上对方节点，那就把整个块推送过去，不管对方接不接受。
2、标准转发模式，发现新块时，将新块的 hash 做一个消息推给周围所有人，如果对方返回消息说他需要 hash 具体数据，那么就将整个块给他，有一个通知→ 回复→ 再回复的过程 。
3、0.10.0 之后，出现了块头公告的模式。只要是 headers-first 策略的节点，启动时，会做一件事情告诉连接所有节点，我不要标准转发的模式，我需要的是发现新块时，直接把 header 给我。这样就能够省去一个「我给列表→ 你请求列表数据→然后再把数据给我」的整个过程。直接把 header 给他 ，然后他就可以向任何人请求 headers 对应的 data。

这就是新块广播的过程。

节点交易转发过程

交易发送到任意能够接受的节点的时候，交易会存在当前节点的内存池里面，然后节点收到交易时，会做一个 hash 列表，发送给能够连接到的所有人。一个节点最多能够连接 8 个节点，如果别的节点发现内存池里面没有这个交易，那就返回 get data。那么对方收到的时候会把整个交易的内容转发过去。 

这里有一个问题，就是不要相信每个交易都会上链，因为交易是存在内存池里面的，并不上链。如果一个节点没有把交易发送出去就下线了，那么这笔交易就会丢失，这是很正常的一件事情。 

这就是交易的转发过程。

到这里比特币的网络协议基本就是这样节点启动、 同步、最高高度之后能够转发交易，能够运作。

 公有许可链 CITA

比特币是区块链的鼻祖，但在性能上存在一个问题，10 分钟一个块，6 个块之后才能确认交易是放在主链上的。之后为了能够有更高的性能就出现了联盟链。CITA 项目初创的时候是联盟链，我们讲一下当前状态的 CITA 联盟链是什么样的。

CITA  网络综述

CITA 的网络，和比特币不一样的地方就是 CITA 是 N 个进程结合在一起作为整个逻辑节点的。比特币是一个进程，CITA 是微服务架构，所以有七个进程。CITA 对外有节点间通信，对内还有每个服务之间的通信，所以会分为节点间的通信和节点内的通信。因为 CITA 刚开始时，作为联盟链，节点数在链的初始状态就确定了，不会很多。所以，在一开始就使用 TCP 全连接。

这么做的好处是什么？即我的消息，只要是知道的，只需转发就点对点转发给我所知的所有节点，消息到达速度非常快。比特币消息转发给全世界需要时间，CITA 作为联盟链的时候，每个节点之间都是有链接的，如果一个消息要广播给整个网络，只要他保留 TCP 所有链接，就能够一次性转发出去。节点之间的通信协议并没有比特币那么复杂，并没有 Version、transaction、get data 等，而是最简单的协议，只有开始符、长度和数据。

节点间同步

目前， CITA 共识算法是 PBFT， 是确定性的、一定不会分叉的共识算法，作恶节点小于三分之一的时候，共识能够保证安全稳定（或者说保证网络安全）。所以 CITA 的同步不需要分叉判断，只需要判断块高。如果我这个节点发现我连接的整个网络块高比我高三个块左右时，就会随机选择一个节点，大概 20 个块一组去同步。同步的消息是整个块发过来的，而不是像比特币那样先发送一个列表、header 之后再把整个块发过来。

交易转发

关于交易的转发，因为 CITA 是全连接的，只要接到交易，验证通过之后，交易就会加入本地交易池，之后转发给所有能连接的节点，除了来源之外（转发交易给我的）所有节点都发一遍，在确保每个交易正常和网络正常的情况下，是不会拉下任何一个节点的。

共识提出

在 CITA 中，共识的 proposal 提出的话，也是以广播的方式去发送的。CITA 里面节点是分为共识节点和只读节点。共识节点有权发起投票，只读节点只能进行同步和交易的转发。虽然只读节点不能发起投票但是也能够收到 proposal 的消息，然后节点会判断自己能不能投票，如果不能投票就会放弃这个交易。这个是 CITA 节点之间的通信。对比特币来说，CITA 节点通信简单了很多，因为网络环境比较简单，毕竟比特币是公网。

节点内部通讯

CITA 节点内部的通信，每个微服务的通信都是异步的模式，即我（节点）发出消息之后，不管对方是否回复都先做自己的事情。这里有一个问题是，如果我这个节点的消息你没有收到，另外一个微服务突然挂了，状态不一致的情况下，就有一个状态同步的问题。现阶段 CITA 分为共识进程，执行器进程，数据库进程以及网络进程，这些都是有状态的，以数据库为准。如果数据库说这个节点有 100 的高度，那么整个逻辑节点所有状态都是 100 的高度。如果不是，就是坏掉了。所以现在最复杂的问题是节点内部每个服务状态同步的问题，如果不一致会让整个节点出现异常。比如：出现对外表现不一致，或者因为状态不一样，所以不能发起投票。因此节点内通信最重要的是状态的同步问题，如果我应该接收到的没有收到，就会发起一个 request-response 来确认状态。如果状态和数据库不一致的话，将调整状态。

未来可能性

如果 CITA 变成公网，我们会遇到的一个问题是网络连接质量下降，如何既保持开放又能为共识提供足够的网络速度？节点间的直连也许依然会是需要的一种方式，同时补充 gossip 网络协议。在我发送消息时知道的所有节点中，随机找两个节点发出去，别人收到时也会随机选两个节点转发出去，全网最终能够达到一致的状态的，我的消息都能够传遍全网。这样能够大大降低服务器的网络开销。共识节点可以用直连的方式来保证出块和交易速度。

关于讲师

罗超（driftluo）

秘猿科技高级区块链工程师

Github：https://github.com/driftluo

秘猿科技 repo：https://github.com/cryptape

连接开发者与运营方的合作平台 CITAHub：https://www.citahub.com/

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