比特币和以太坊大战八百回合,你支持谁?

堂主先说几句

上次我们讲了P2P的基础知识,今天,作为区块链教学的示范基地,波霎大讲堂就带你去看看区块链和P2P之间到底有哪些重要的关联?

行业小知识

其实,区块链技术的中心内容也就是一个网络去中心化的衍生,相比传统的 P2P 技术,区块链上运用到的 P2P 技术可以说是将 P2P 技术更新换代

当然,不同的区块链可能会使用不一样的网络模型,但基本原理是一样的。下面分别讲解下最有代表性的两个区块链的网络:比特币网络和以太坊网络

比特币网络

首先,比特币网络中的节点主要有四大功能:钱包、挖矿、区块链数据库、网络路由。每个节点都会具备路由功能,但其他功能不一定都具备,不同类型的节点可能只包含部分功能,一般只有比特币核心(bitcoin core)节点才会包含所有四大功能。

所有节点都会参与校验和广播交易及区块信息,且会发现和维持与其他节点的连接。有些节点会包含完整的区块链数据库,包括所有交易数据,这种节点也称为全节点(Full Node)

另外一些节点只存储了区块链数据库的一部分,一般只存储区块头而不存储交易数据,它们会通过“简化交易验证(SPV)”的方式完成交易校验,这样的节点也称之为:SPV节点或轻节点(Lightweight Node)。钱包一般是 PC 或手机客户端的功能,用户通过钱包查看自己的账户金额、管理钱包地址和私钥、发起交易等。

除了比特币核心钱包是全节点之外,大部分钱包都是轻节点。挖矿节点则通过解决工作量证明(PoW)算法问题,与其他挖矿节点相互竞争创建新区块。有些挖矿节点同时也是全节点,即也存储了完整的区块链数据库,这种节点一般都是独立矿工(Solo Miner)。

还有一些挖矿节点不是独立挖矿的,而是和其他节点一起连接到矿池,参与集体挖矿,这种节点一般也称为矿池矿工(Pool Miner)。这会形成一个局部的集中式矿池网络,中心节点是一个矿池服务器,其他挖矿节点全部连接到矿池服务器。矿池矿工和矿池服务器之间的通信也不是采用标准的比特币协议,而是使用矿池挖矿协议,而矿池服务器作为一个全节点再与其他比特币节点使用主网络的比特币协议进行通信。

在整个比特币网络中,除了不同节点间使用比特币协议作为通信协议的主网络,也存在很多扩展网络,包括上面提到的矿池网络。不同的矿池网络可能还会使用不同的矿池挖矿协议,目前主流的具体矿池协议应该是Stratum协议,该协议除了支持挖矿节点,也支持瘦客户端钱包。一个包含了比特币协议主网络各种节点和 Stratum 网络,以及其他矿池网络的扩展比特币网络大概如下图所示:

另外,挖矿这块还有特殊需求。我们知道,矿工创建新区块后,是需要广播给全网所有节点的,当全网都接受了该区块,给矿工的挖矿奖励才算是有效的,这之后才好开始下一个区块 Hash 的计算

所以矿工必须最大限度缩短新区块的广播和下一个区块 Hash 计算之间的时间。如果矿工之间传播区块只采用上图所示的比特币协议网络,那无疑会有很高的网络延迟,所以,需要一个专门的传播网络用来加快新区块在矿工之间的同步传播,这个专门网络也叫比特币传播网络或比特币中继网络(Bitcoin Relay Network)

以太坊网络

和比特币一样,以太坊的节点也具备钱包、挖矿、区块链数据库、网络路由四大功能,也同样存在很多不同类型的节点,除了主网络之外也同样存在很多扩展网络。但与比特币不同的,比特币主网的 P2P 网络是无结构的,但以太坊的 P2P 网络是有结构的

上一篇堂主的 P2P 不仅仅是种子神器堂主已经提过,以太坊的 P2P 网络主要采用了Kademlia(简称 Kad)算法实现,Kad 是一种分布式哈希表(DHT)技术,使用该技术,可以实现在分布式环境下快速而又准确地路由、定位数据的问题。所以,下面主要讲解下以太坊的 Kad 网络。

Kad网络和Edonkey网络的区别

Kad又名P2P 重叠网络传输协议,以构建分布式的P2P电脑网络。是一种基于异或运算的P2P信息系统。它制定了网络的结构及规范了节点间通讯和交换资讯的方式。在 Kad 网络中,每个节点都具有一个唯一的节点 ID

另外,也会计算不同节点之间的距离,但这个距离不是物理上的距离,而是逻辑上的距离,是通过对两个节点 ID 进行 异或(符号为^)计算得到的,即 A、B 两节点之间的距离的计算公式为:D(A,B) = A.ID^B.ID。异或有一个重要的性质:假设 a、b、c 为任意三个数,如果 a^b = a^c 成立,那就一定 b = c。因此,如果给定一个结点 a 和距离 L,那就有且仅有一个结点 b, 会使得 D(a,b) = L。通过这种方式,就能有效度量 Kad 网络中不同节点之间的逻辑距离

在异或距离度量的基础上,Kad 还可以将整个网络拓扑组织成如下图所示的一个二叉前缀树,每个 NodeID 会映射到二叉树上的某个叶子。

在这种二叉树结构下,对每个节点来说,离它越近的节点异或距离也是越近的。接着,可以按照离自己异或距离的远近,对整颗二叉树进行拆分

拆分规则是:从根节点开始,将不包括自己的那颗子树拆分出来,然后在包含自己的子树中,把不包括自己的下一层子树再拆分出来,以此类推,直到只剩下自己。

在以太坊的 Kad 网络中,节点之间的通信是基于 UDP 的,另外设置了4 个主要的通信协议

Ping:用于探测一个节点是否在线;

Pong:用于响应Ping 命令;

FindNode:用于查找与 Target 节点异或距离最近的其他节点;

Neighbours:用于响应 FindNode 命令,会返回一或多个节点;

通过以上4 个命令,就可以实现新节点的加入、K-桶的刷新等机制。具体的实现流程就不细讲了,留给大伙自己去思考。

最后做个总结

不同结构的 P2P 网络,会有不同的优点和缺点。比特币网络的结构明显容易理解,实现起来也相对容易得多,而以太坊网络引入了异或距离、二叉前缀树、K-桶等,结构上复杂不少,但在节点路由上的确会比比特币快很多。另外,不管是比特币还是以太坊,其实都只是一种或多种协议的集合,不同节点其实可以用不同的具体实现,比如,比特币就有用 C++ 实现的 Bitcoin Core,还有用 Java 实现的 BitcoinJ;以太坊也有用 Go 语言实现的 go-ethereum,也有用 C++ 实现的 go-ethereum,还有用 Java 实现的 Ethereum(J)。

下期预告:“挖矿”是啥?“下矿”需要注意些啥?“挖矿”会不会有风险?

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编辑 | 堂主

插图 | 网络

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