區(qū)塊鏈應用技術(shù) 課件 第5章 P2P網(wǎng)絡在區(qū)塊鏈中的應用

P2P網(wǎng)絡概念與特點目錄什么是P2PP2P網(wǎng)絡技術(shù)架構(gòu)四種拓撲結(jié)構(gòu)的對比什么是P2P

P2P網(wǎng)絡即對等網(wǎng)絡、點對點網(wǎng)絡，英文為“Peer-to-PeerNetwork”，是無中心服務器、依靠用戶群節(jié)點進行信息交換的對等式網(wǎng)絡。P2P網(wǎng)絡的特點：（1）可擴展性；（2）健壯性；（3）高性價比；（4）隱私保護；（5）負載均衡。P2P網(wǎng)絡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)存儲和檢索

3、分布式數(shù)據(jù)處理P2P網(wǎng)絡主要功能P2P網(wǎng)絡技術(shù)架構(gòu)P2P主要存在四種不同的網(wǎng)絡模型，也代表著P2P技術(shù)的四個發(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)絡集中式架構(gòu)P2P網(wǎng)絡技術(shù)架構(gòu)P2P網(wǎng)絡技術(shù)架構(gòu)P2P網(wǎng)絡分布式結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡技術(shù)架構(gòu)P2P網(wǎng)絡混合結(jié)構(gòu)四種拓撲結(jié)構(gòu)的對比感謝觀看P2P網(wǎng)絡核心技術(shù)P2P網(wǎng)絡核心技術(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)——哈希表哈希表存儲的數(shù)據(jù)有鍵（key）和值（velue）兩部分：它通過計算一個關(guān)于鍵值的函數(shù)，將所需查詢的數(shù)據(jù)映射到表中一個位置來訪問記錄。給定表M，存在函數(shù)f(key)，對任意給定的關(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，則稱表M為哈希（Hash）表，函數(shù)f(key)為哈希(Hash)函數(shù)。如這個圖所示，鍵為人名，值為buckets中的電話號碼，bucket可以看作一個長度為16的數(shù)組。人名通過哈希函數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字，數(shù)字作為buckets數(shù)組的下標。分布式哈希表：存儲的鍵值對數(shù)據(jù)并不僅僅存在于一臺電腦中，而是分布在不同的節(jié)點（電腦）中。分布式哈希表有三個特性：（1）離散性：構(gòu)成系統(tǒng)的節(jié)點并沒有任何中央式的協(xié)調(diào)機制，做到了完全的去中心化。（2）伸縮性：即使有成千上萬個節(jié)點，系統(tǒng)仍然十分有效。加入的節(jié)點越多，網(wǎng)絡可以提供的服務能力越強。（3）容錯性：即使節(jié)點不斷地加入、離開或是停止工作，系統(tǒng)仍能達到一定的可靠性。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)簡單、路由方式實現(xiàn)起來足夠靈活、具有比較好的性能并且安全性也較強。綜合起來在各種哈希表實現(xiàn)中具有很強的競爭力，成了分布式哈希表中被采用最多的技術(shù)。1.如何衡量兩個ID是否接近（Kademlia的距離衡量機制）Kademlia協(xié)議中采用了異或算法（XOR）作為距離算法來衡量兩個ID的遠近。比較兩個ID時，首先把字符串的哈希值變?yōu)槎M制表示。這里假設(shè)節(jié)點A的ID二進制表示為01010101，節(jié)點B的ID二進制表示為01000000，將兩個ID進行異或運算（對應位置的0、1進行異或），結(jié)果為00010101，轉(zhuǎn)化為十進制為25。也就是說這兩個ID的距離用十進制表示為25。2.如何根據(jù)文件的哈希值得到文件存儲位置信息（kademlia的路由機制）理解路由機制，可以從Kademlia中k-bucket（k-桶）出發(fā)。k-桶是Kademlia論文中提出的一個概念，一個節(jié)點會有多個k-桶，不同k-桶

的區(qū)別在于離這個節(jié)點的距離不同，每個k-桶

中存放了離節(jié)點在某個距離范圍內(nèi)的其他已知節(jié)點。Kademlia協(xié)議建立在上述K-桶之上，可以發(fā)起四種消息請求。（1）PING：用來測試節(jié)點是否依然在線。（2）STORE：在某個節(jié)點中存儲一個鍵值對。（3）FIND_NODE：消息請求的接受者將返回自己K桶中離請求的節(jié)點的ID最近的K個節(jié)點。（4）FIND_VALUE：根據(jù)文件資源的KEY查找一個數(shù)據(jù)和FIND_NODE類似，如果請求接收著擁有KEY對應的文件資源則返回數(shù)據(jù)。Gossip協(xié)議 1、在HyperledgerFabric中，節(jié)點間同步數(shù)據(jù)采用的是Gossip協(xié)議，當節(jié)點因為異常缺少賬本數(shù)據(jù)時，可以通過Gossip協(xié)議從鄰近的節(jié)點獲得賬本數(shù)據(jù)，保證集群中節(jié)點賬本的一致性。 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)一致性的問題。（1）協(xié)議流程

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

節(jié)點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)點只會隨機向少數(shù)幾個節(jié)點發(fā)送消息，消息最終是通過多個輪次的散播而到達全網(wǎng)的，因此使用Gossip協(xié)議會造成不可避免的消息延遲。不適合用在對實時性要求較高的場景。

Gossip協(xié)議規(guī)定，節(jié)點會定期隨機選擇周圍節(jié)點發(fā)送消息，而收到消息的節(jié)點也會重復該步驟，因此就不可避免地存在消息重復發(fā)送給同一節(jié)點的情況，造成了消息的冗余，同時也增加了收到消息的節(jié)點的處理壓力。感謝觀看P2p網(wǎng)絡應用什么是p2p網(wǎng)絡？是一種在對等者之間分配任務和工作負載的分布式應用架構(gòu)，是對等計算模型在應用層形成的一種組網(wǎng)或網(wǎng)絡形式。定義：網(wǎng)絡的參與者共享他們所擁有的一部分硬件資源。這些共享資源通過網(wǎng)絡提供服務和內(nèi)容，能被其它對等節(jié)點直接訪問而無需經(jīng)過中間實體。P2p網(wǎng)絡應用1.文件交換2.對等計算3.協(xié)同工作4.搜索引擎5.流媒體1.文件交換過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)站的服務器搜索和下載資源，而是從任何一個在線網(wǎng)友的計算機中直接下載，當然，其他網(wǎng)站的服務器也可看作是一個對等點，真正實現(xiàn)個人計算機與服務器平起平坐。2.對等計算P2P用于對等計算的優(yōu)勢：每個對等點不再只是單純地接受計算任務，它可以根據(jù)自身的情況，再搜索其他空閑節(jié)點，把接受的任務分發(fā)下去，中間結(jié)果層層上傳，最后到達任務分發(fā)節(jié)點。對等點之間還可以直接交換中間結(jié)果，協(xié)作計算。用這種方式，可以合理整合閑散的計算能力和資源，使總體計算能力大規(guī)模提升，獲得非?？捎^的計算性能／價格比。3.協(xié)同工作利用P2P技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)上任意兩臺PC都可以建立實時的聯(lián)系，可以實現(xiàn)一個安全、共享的虛擬空間。P2P協(xié)同計算包括協(xié)作計算、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PC都可建立實時的聯(lián)系，建立了這樣一個安全、共享的虛擬空間，人們可以進行各種各樣的活動，這些活動可是同時進行，也可以交互進行。4.搜索引擎P2P技術(shù)的另一個優(yōu)勢是開發(fā)出強大的搜索工具。P2P技術(shù)使用戶能夠深度搜索文檔，而且這種搜索無須通過Web服務器，也可以不受信息文檔格式和宿主設(shè)備的限制，可達到傳統(tǒng)目錄式搜索引擎(只能搜索到20％、30％的網(wǎng)絡資源)無可比擬的深度(理論上將包括網(wǎng)絡上的所有開放的信息資源)。5.流媒體單源的P2P流媒體系統(tǒng)建立在應用層組播技術(shù)的基礎(chǔ)之上。服務器和所有客戶節(jié)點組織成組播樹，組播樹的中間節(jié)點接受來自父節(jié)點組播的媒體數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)以組播的方式傳送給子節(jié)點。多源的P2P流媒體傳輸系統(tǒng)，則是由多個發(fā)送者以單播的方式同時向一個接收者發(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)塊鏈會選擇P2P作為網(wǎng)絡基礎(chǔ)（2）P2P網(wǎng)絡中節(jié)點類型（3）P2P在比特幣中的作用為什么區(qū)塊鏈會選擇P2P作為網(wǎng)絡基礎(chǔ)因為他是無中心服務器的，中心服務器就意味著，當受到攻擊的時候，中心機，整個網(wǎng)絡和服務就會出現(xiàn)問題服務器一旦宕機。

而區(qū)塊鏈的核心是去中心化，這和P2P網(wǎng)絡的觀念不約而同，所以這也就是為什么區(qū)塊鏈會選擇P2P作為網(wǎng)絡基礎(chǔ)。P2P網(wǎng)絡的三個特性：離散性、容錯性、伸縮性比特幣P2P網(wǎng)絡根據(jù)功能不同，各節(jié)點可能具有不同的分工。每個比特幣節(jié)點都是路由、區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫、挖礦、錢包服務的功能集合。一個全節(jié)點包括如圖所示的四個功能：錢包網(wǎng)絡路由節(jié)點完整區(qū)塊鏈礦工P2P網(wǎng)絡中的節(jié)點類型下圖描述了擴展比特幣網(wǎng)絡中常見的節(jié)點類型。網(wǎng)絡路由節(jié)點完整區(qū)塊鏈礦工網(wǎng)絡路由節(jié)點錢包獨立礦工

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)絡路由節(jié)點。輕量（SPV)錢包

包含不具有區(qū)塊鏈的錢包以及比特幣P2P網(wǎng)絡節(jié)點。Pool服務器Startum服務器礦池協(xié)議服務器

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

在比特幣P2P網(wǎng)絡中，包含完整區(qū)塊鏈及網(wǎng)絡路由節(jié)點。首先看一下P2P的整體技術(shù)點：（1）如何發(fā)現(xiàn)節(jié)點（peers）在P2P網(wǎng)絡中，發(fā)現(xiàn)節(jié)點是最開始、最重要和最難的一部分；（2）握手協(xié)議發(fā)現(xiàn)節(jié)點之后，就要進行握手鏈接，確定節(jié)點之間的通信協(xié)議等（3）地址廣播及發(fā)現(xiàn)鏈接建立之后，就可以正常的進行通信了；以上三點解決之后，基本就可以實現(xiàn)一個簡單的P2P網(wǎng)絡。P2P在比特幣中的作用當一個新的網(wǎng)絡節(jié)點啟動后，為了能夠參與協(xié)同運作，它必須至少發(fā)現(xiàn)一個其他網(wǎng)絡中的節(jié)點并與之建立連接。比特幣的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)不基于地理位置，因此可以隨機的選擇節(jié)點建立連接。（1）節(jié)點發(fā)現(xiàn)（1）利用種子節(jié)點：

比特幣的客戶端會維護一個列表，列表中記錄了長期穩(wěn)定運行的節(jié)點，這些節(jié)點也被稱之為種子節(jié)點。在比特幣里，可以通過“-dnsseed”選項來指定是否使用種子節(jié)點，該選項默認是開啟的。比特幣中的節(jié)點發(fā)現(xiàn)有兩種方式（2）節(jié)點引薦：將當前啟動節(jié)點引薦給其他節(jié)點的方式。可以通過“-seednode”選項指定一個節(jié)點的ip，之后新節(jié)點將和該節(jié)點建立連接，將該節(jié)點作為DNS種子節(jié)點，在引薦信息形成之后斷開與該節(jié)點的連接，并與新發(fā)現(xiàn)的節(jié)點連接。比特幣中的節(jié)點發(fā)現(xiàn)有兩種方式節(jié)點A節(jié)點Bversionverackversionverack對等節(jié)點之間的初始“握手”通信（2）握手協(xié)議過程如下：節(jié)點向?qū)Φ裙?jié)點發(fā)送version消息開始握手，此消息中包含如下一些內(nèi)容PROTOCOL_VERSION：當前節(jié)點的比特幣P2P協(xié)議的版本號；nLocalServices：節(jié)點支持的本地服務列