區(qū)塊鏈應(yīng)用技術(shù) 課件 第5章 P2P網(wǎng)絡(luò)在區(qū)塊鏈中的應(yīng)用

P2P網(wǎng)絡(luò)概念與特點(diǎn)目錄什么是P2PP2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)比什么是P2P

P2P網(wǎng)絡(luò)即對(duì)等網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，英文為“Peer-to-PeerNetwork”，是無(wú)中心服務(wù)器、依靠用戶群節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換的對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。P2P網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：（1）可擴(kuò)展性；（2）健壯性；（3）高性價(jià)比；（4）隱私保護(hù)；（5）負(fù)載均衡。P2P網(wǎng)絡(luò)的主要功能可以分為如下3種：

1、數(shù)據(jù)發(fā)布和傳輸

2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索

3、分布式數(shù)據(jù)處理P2P網(wǎng)絡(luò)主要功能P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)P2P主要存在四種不同的網(wǎng)絡(luò)模型，也代表著P2P技術(shù)的四個(gè)發(fā)展階段：集中式、純分布式、混合式和結(jié)構(gòu)化模型。P2P網(wǎng)絡(luò)集中式架構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)分布式結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)混合結(jié)構(gòu)四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)比感謝觀看P2P網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)P2P網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)1.分布式哈希表2.Kademlia協(xié)議3.Gossip協(xié)議分布式哈希表分布式哈希表的基礎(chǔ)：

常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——哈希表哈希表存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)有鍵（key）和值（velue）兩部分：它通過(guò)計(jì)算一個(gè)關(guān)于鍵值的函數(shù)，將所需查詢的數(shù)據(jù)映射到表中一個(gè)位置來(lái)訪問(wèn)記錄。給定表M，存在函數(shù)f(key)，對(duì)任意給定的關(guān)鍵字值key，代入函數(shù)后若能得到包含該關(guān)鍵字的記錄在表中的地址，則稱(chēng)表M為哈希（Hash）表，函數(shù)f(key)為哈希(Hash)函數(shù)。如這個(gè)圖所示，鍵為人名，值為buckets中的電話號(hào)碼，bucket可以看作一個(gè)長(zhǎng)度為16的數(shù)組。人名通過(guò)哈希函數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字，數(shù)字作為buckets數(shù)組的下標(biāo)。分布式哈希表：存儲(chǔ)的鍵值對(duì)數(shù)據(jù)并不僅僅存在于一臺(tái)電腦中，而是分布在不同的節(jié)點(diǎn)（電腦）中。分布式哈希表有三個(gè)特性：（1）離散性：構(gòu)成系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)并沒(méi)有任何中央式的協(xié)調(diào)機(jī)制，做到了完全的去中心化。（2）伸縮性：即使有成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)仍然十分有效。加入的節(jié)點(diǎn)越多，網(wǎng)絡(luò)可以提供的服務(wù)能力越強(qiáng)。（3）容錯(cuò)性：即使節(jié)點(diǎn)不斷地加入、離開(kāi)或是停止工作，系統(tǒng)仍能達(dá)到一定的可靠性。Kademlia協(xié)議相比于分布式哈希表協(xié)議，Kademlia協(xié)議采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、路由方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)足夠靈活、具有比較好的性能并且安全性也較強(qiáng)。綜合起來(lái)在各種哈希表實(shí)現(xiàn)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，成了分布式哈希表中被采用最多的技術(shù)。1.如何衡量?jī)蓚€(gè)ID是否接近（Kademlia的距離衡量機(jī)制）Kademlia協(xié)議中采用了異或算法（XOR）作為距離算法來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)ID的遠(yuǎn)近。比較兩個(gè)ID時(shí)，首先把字符串的哈希值變?yōu)槎M(jìn)制表示。這里假設(shè)節(jié)點(diǎn)A的ID二進(jìn)制表示為01010101，節(jié)點(diǎn)B的ID二進(jìn)制表示為01000000，將兩個(gè)ID進(jìn)行異或運(yùn)算（對(duì)應(yīng)位置的0、1進(jìn)行異或），結(jié)果為00010101，轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制為25。也就是說(shuō)這兩個(gè)ID的距離用十進(jìn)制表示為25。2.如何根據(jù)文件的哈希值得到文件存儲(chǔ)位置信息（kademlia的路由機(jī)制）理解路由機(jī)制，可以從Kademlia中k-bucket（k-桶）出發(fā)。k-桶是Kademlia論文中提出的一個(gè)概念，一個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)有多個(gè)k-桶，不同k-桶

的區(qū)別在于離這個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離不同，每個(gè)k-桶

中存放了離節(jié)點(diǎn)在某個(gè)距離范圍內(nèi)的其他已知節(jié)點(diǎn)。Kademlia協(xié)議建立在上述K-桶之上，可以發(fā)起四種消息請(qǐng)求。（1）PING：用來(lái)測(cè)試節(jié)點(diǎn)是否依然在線。（2）STORE：在某個(gè)節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)一個(gè)鍵值對(duì)。（3）FIND_NODE：消息請(qǐng)求的接受者將返回自己K桶中離請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)的ID最近的K個(gè)節(jié)點(diǎn)。（4）FIND_VALUE：根據(jù)文件資源的KEY查找一個(gè)數(shù)據(jù)和FIND_NODE類(lèi)似，如果請(qǐng)求接收著擁有KEY對(duì)應(yīng)的文件資源則返回?cái)?shù)據(jù)。Gossip協(xié)議 1、在HyperledgerFabric中，節(jié)點(diǎn)間同步數(shù)據(jù)采用的是Gossip協(xié)議，當(dāng)節(jié)點(diǎn)因?yàn)楫惓Ｈ鄙儋~本數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過(guò)Gossip協(xié)議從鄰近的節(jié)點(diǎn)獲得賬本數(shù)據(jù)，保證集群中節(jié)點(diǎn)賬本的一致性。 2、Gossip是一種去中心化思路的分布式協(xié)議，解決集群中的數(shù)據(jù)傳播和狀態(tài)一致性的問(wèn)題。（1）協(xié)議流程

節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)K發(fā)送數(shù)據(jù)有三種方式：1、push模式：

節(jié)點(diǎn)A將數(shù)據(jù)（key，version，value）推送給K，K更新version比自己新的數(shù)據(jù)。2、pull模式：

節(jié)點(diǎn)A將數(shù)據(jù)（key，version）推送給K，K將本地version比A新的數(shù)據(jù)推送給A。3、push/pull模式：

先采用push模式更新K，然后采用pull模式更新A。（2）Gossip缺陷

由于Gossip協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)只會(huì)隨機(jī)向少數(shù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，消息最終是通過(guò)多個(gè)輪次的散播而到達(dá)全網(wǎng)的，因此使用Gossip協(xié)議會(huì)造成不可避免的消息延遲。不適合用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)景。

Gossip協(xié)議規(guī)定，節(jié)點(diǎn)會(huì)定期隨機(jī)選擇周?chē)?jié)點(diǎn)發(fā)送消息，而收到消息的節(jié)點(diǎn)也會(huì)重復(fù)該步驟，因此就不可避免地存在消息重復(fù)發(fā)送給同一節(jié)點(diǎn)的情況，造成了消息的冗余，同時(shí)也增加了收到消息的節(jié)點(diǎn)的處理壓力。感謝觀看P2p網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用什么是p2p網(wǎng)絡(luò)？是一種在對(duì)等者之間分配任務(wù)和工作負(fù)載的分布式應(yīng)用架構(gòu)，是對(duì)等計(jì)算模型在應(yīng)用層形成的一種組網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)形式。定義：網(wǎng)絡(luò)的參與者共享他們所擁有的一部分硬件資源。這些共享資源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)和內(nèi)容，能被其它對(duì)等節(jié)點(diǎn)直接訪問(wèn)而無(wú)需經(jīng)過(guò)中間實(shí)體。P2p網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用1.文件交換2.對(duì)等計(jì)算3.協(xié)同工作4.搜索引擎5.流媒體1.文件交換過(guò)去下載方式絕大多數(shù)屬于超文本文件傳輸協(xié)議或者文件傳輸協(xié)議，也就是我們常說(shuō)的HTTP

和FTP協(xié)議。P2P方式與傳統(tǒng)方式區(qū)別：用戶不是從其他網(wǎng)站的服務(wù)器搜索和下載資源，而是從任何一個(gè)在線網(wǎng)友的計(jì)算機(jī)中直接下載，當(dāng)然，其他網(wǎng)站的服務(wù)器也可看作是一個(gè)對(duì)等點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)個(gè)人計(jì)算機(jī)與服務(wù)器平起平坐。2.對(duì)等計(jì)算P2P用于對(duì)等計(jì)算的優(yōu)勢(shì)：每個(gè)對(duì)等點(diǎn)不再只是單純地接受計(jì)算任務(wù)，它可以根據(jù)自身的情況，再搜索其他空閑節(jié)點(diǎn)，把接受的任務(wù)分發(fā)下去，中間結(jié)果層層上傳，最后到達(dá)任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)。對(duì)等點(diǎn)之間還可以直接交換中間結(jié)果，協(xié)作計(jì)算。用這種方式，可以合理整合閑散的計(jì)算能力和資源，使總體計(jì)算能力大規(guī)模提升，獲得非?？捎^的計(jì)算性能／價(jià)格比。3.協(xié)同工作利用P2P技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)上任意兩臺(tái)PC都可以建立實(shí)時(shí)的聯(lián)系，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)安全、共享的虛擬空間。P2P協(xié)同計(jì)算包括協(xié)作計(jì)算、網(wǎng)格和數(shù)據(jù)內(nèi)容網(wǎng)格。P2P技術(shù)的出現(xiàn)，使得互聯(lián)網(wǎng)上任意兩臺(tái)PC都可建立實(shí)時(shí)的聯(lián)系，建立了這樣一個(gè)安全、共享的虛擬空間，人們可以進(jìn)行各種各樣的活動(dòng)，這些活動(dòng)可是同時(shí)進(jìn)行，也可以交互進(jìn)行。4.搜索引擎P2P技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是開(kāi)發(fā)出強(qiáng)大的搜索工具。P2P技術(shù)使用戶能夠深度搜索文檔，而且這種搜索無(wú)須通過(guò)Web服務(wù)器，也可以不受信息文檔格式和宿主設(shè)備的限制，可達(dá)到傳統(tǒng)目錄式搜索引擎(只能搜索到20％、30％的網(wǎng)絡(luò)資源)無(wú)可比擬的深度(理論上將包括網(wǎng)絡(luò)上的所有開(kāi)放的信息資源)。5.流媒體單源的P2P流媒體系統(tǒng)建立在應(yīng)用層組播技術(shù)的基礎(chǔ)之上。服務(wù)器和所有客戶節(jié)點(diǎn)組織成組播樹(shù)，組播樹(shù)的中間節(jié)點(diǎn)接受來(lái)自父節(jié)點(diǎn)組播的媒體數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)以組播的方式傳送給子節(jié)點(diǎn)。多源的P2P流媒體傳輸系統(tǒng)，則是由多個(gè)發(fā)送者以單播的方式同時(shí)向一個(gè)接收者發(fā)送媒體數(shù)據(jù)。感謝觀看P2P在區(qū)塊鏈中的作用目錄（1）為什么區(qū)塊鏈會(huì)選擇P2P作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)（2）P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)類(lèi)型（3）P2P在比特幣中的作用為什么區(qū)塊鏈會(huì)選擇P2P作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)因?yàn)樗菬o(wú)中心服務(wù)器的，中心服務(wù)器就意味著，當(dāng)受到攻擊的時(shí)候，中心機(jī)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題服務(wù)器一旦宕機(jī)。

而區(qū)塊鏈的核心是去中心化，這和P2P網(wǎng)絡(luò)的觀念不約而同，所以這也就是為什么區(qū)塊鏈會(huì)選擇P2P作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。P2P網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)特性：離散性、容錯(cuò)性、伸縮性比特幣P2P網(wǎng)絡(luò)根據(jù)功能不同，各節(jié)點(diǎn)可能具有不同的分工。每個(gè)比特幣節(jié)點(diǎn)都是路由、區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)、挖礦、錢(qián)包服務(wù)的功能集合。一個(gè)全節(jié)點(diǎn)包括如圖所示的四個(gè)功能：錢(qián)包網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)完整區(qū)塊鏈礦工P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型下圖描述了擴(kuò)展比特幣網(wǎng)絡(luò)中常見(jiàn)的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)完整區(qū)塊鏈礦工網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)錢(qián)包獨(dú)立礦工

包含具有完整區(qū)塊鏈副本的挖礦功能、以及比特幣P2P網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)。輕量（SPV)錢(qián)包

包含不具有區(qū)塊鏈的錢(qián)包以及比特幣P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。Pool服務(wù)器Startum服務(wù)器礦池協(xié)議服務(wù)器

將運(yùn)行其他協(xié)議的節(jié)點(diǎn)（例如礦池挖礦節(jié)點(diǎn)、Stratum節(jié)點(diǎn)），連接至P2P網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)路由器。網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)完整區(qū)塊鏈完整區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)

在比特幣P2P網(wǎng)絡(luò)中，包含完整區(qū)塊鏈及網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)。首先看一下P2P的整體技術(shù)點(diǎn)：（1）如何發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)（peers）在P2P網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)是最開(kāi)始、最重要和最難的一部分；（2）握手協(xié)議發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之后，就要進(jìn)行握手鏈接，確定節(jié)點(diǎn)之間的通信協(xié)議等（3）地址廣播及發(fā)現(xiàn)鏈接建立之后，就可以正常的進(jìn)行通信了；以上三點(diǎn)解決之后，基本就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的P2P網(wǎng)絡(luò)。P2P在比特幣中的作用當(dāng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，為了能夠參與協(xié)同運(yùn)作，它必須至少發(fā)現(xiàn)一個(gè)其他網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)并與之建立連接。比特幣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不基于地理位置，因此可以隨機(jī)的選擇節(jié)點(diǎn)建立連接。（1）節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)（1）利用種子節(jié)點(diǎn)：

比特幣的客戶端會(huì)維護(hù)一個(gè)列表，列表中記錄了長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)也被稱(chēng)之為種子節(jié)點(diǎn)。在比特幣里，可以通過(guò)“-dnsseed”選項(xiàng)來(lái)指定是否使用種子節(jié)點(diǎn)，該選項(xiàng)默認(rèn)是開(kāi)啟的。比特幣中的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)有兩種方式（2）節(jié)點(diǎn)引薦：將當(dāng)前啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)引薦給其他節(jié)點(diǎn)的方式?？梢酝ㄟ^(guò)“-seednode”選項(xiàng)指定一個(gè)節(jié)點(diǎn)的ip，之后新節(jié)點(diǎn)將和該節(jié)點(diǎn)建立連接，將該節(jié)點(diǎn)作為DNS種子節(jié)點(diǎn)，在引薦信息形成之后斷開(kāi)與該節(jié)點(diǎn)的連接，并與新發(fā)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)連接。比特幣中的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)有兩種方式節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)Bversionverackversionverack對(duì)等節(jié)點(diǎn)之間的初始“握手”通信（2）握手協(xié)議過(guò)程如下：節(jié)點(diǎn)向?qū)Φ裙?jié)點(diǎn)發(fā)送version消息開(kāi)始握手，此消息中包含如下一些內(nèi)容PROTOCOL_VERSION：當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的比特幣P2P協(xié)議的版本號(hào)；nLocalServices：節(jié)點(diǎn)支持的本地服務(wù)列