P2P網(wǎng)絡是什么

P2P是指位于同一網(wǎng)絡中的每臺計算機都彼此平等，身份對等，各個節(jié)點共同提供網(wǎng)絡服務，不存在任何“特殊”節(jié)點。網(wǎng)絡節(jié)點以“扁平”的拓撲結構相互連通。 網(wǎng)絡中不存在任何服務器端、中央化的服務、以及層級結構。點對點網(wǎng)絡中的節(jié)點同時提供和消費服務，互惠互利。點對點網(wǎng)絡也因此具有可靠性、去中心化，以及開放性。

早期的互聯(lián)網(wǎng)就是點對點網(wǎng)絡架構的一個典型用例：IP網(wǎng)絡中的各個節(jié)點完全平等。當今的互聯(lián)網(wǎng)架構具有分層架構，但是IP協(xié)議仍然保留了扁平拓撲的結構。

先問幾個問題

1. IP協(xié)議解決了什么問題？其他網(wǎng)絡協(xié)議呢？
2. 計算機如何發(fā)現(xiàn)對方？數(shù)據(jù)如何傳輸?shù)竭h程計算機？

P2P的例子

1. Skype
2. BitTorrent
3. Gnutella
4. VoIP
5. Spotify
6. SMTP（server - server）
7. WebRTC
8. Blockchain

現(xiàn)有的網(wǎng)絡

網(wǎng)絡

1. IP 有限
2. 大量的局域網(wǎng)IP

問題：咱們國內(nèi)的網(wǎng)到底是個局域網(wǎng)還是廣域網(wǎng)

P2P 的技術難點

1. Discovery - Registration
2. NAT Traversal
3. Firewalls
4. Asymmetrical bandwidth
5. Security
6. Optimization

p2p模型

P2P網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流動

//udp
sendto(ip,port,buffer);
//tcp
send(fd,buffer,length,0)

去中心化網(wǎng)絡

上面的紅色箭頭是P2P真實的數(shù)據(jù)流動，那么數(shù)據(jù)怎么發(fā)送到客戶端B的呢？

說下鏈路層地址與IP地址。許多鏈路層協(xié)議也有自己的地址，一般是MAC地址，比如最常用的以太網(wǎng)。鏈路層地址在鏈路層協(xié)議中使用，表明這個鏈路層報文會被發(fā)給誰；而IP地址在IP層協(xié)議中使用，表明這個報文最終要發(fā)給誰。可以分為兩種情況：

1. 直接通過鏈路層發(fā)送：
   鏈路層地址： （源MAC地址） （目的MAC地址）
   IP地址： （源IP地址） （目的IP地址）
2. 經(jīng)過網(wǎng)關轉(zhuǎn)發(fā)
   從本機出發(fā)發(fā)往網(wǎng)關時，鏈路層的目的是網(wǎng)關而IP層的目的不是網(wǎng)關：
   鏈路層地址： （本機源MAC地址） （網(wǎng)關MAC地址）
   IP地址： （本機IP地址） （目的IP地址）
   網(wǎng)關轉(zhuǎn)發(fā)到其他網(wǎng)關：
   鏈路層地址： （網(wǎng)關MAC地址） （下一跳網(wǎng)關MAC地址）
   IP地址： （本機IP地址） （目的IP地址）
   最后一個網(wǎng)關轉(zhuǎn)發(fā)到目標：
   鏈路層地址： （最后一個網(wǎng)關MAC地址） （目的MAC地址）
   IP地址： （本機IP地址） （目的IP地址）
   在轉(zhuǎn)發(fā)過程中，IP報文的源和目的保持不變，鏈路層地址則只和這一跳的雙方有關，甚至如果中間經(jīng)過了不一樣的鏈路層，還會更換二層數(shù)據(jù)包的格式。

NAT (Network Address Translation) 穿透

我們知道了網(wǎng)關（路由器）可以幫助我們轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，那么剩下的就是找到對方IP地址。這就涉及到NAT穿透。

NAT

完全錐形：不攔截
IP限制錐形NAT：限制特定IP
端口限制錐形NAT：限制IP加端口
對稱NAT：網(wǎng)關給不同端發(fā)送數(shù)據(jù)分配不同的ip和端口

問題：

1. 如何判斷客戶端網(wǎng)關的NAT類型
2. 如果對所有的網(wǎng)關NAT穿透
3. 如何測試客戶端數(shù)量
4. 有沒有穿透不了的情況？

網(wǎng)絡拓撲

最早的BitTorrent 網(wǎng)絡，需要一個中心服務器也就是種子服務器，來幫助各個 Peers 節(jié)點找到彼此進行文件下載

tracker

trackerless

DHT

在 P2P（peer-to-peer） 網(wǎng)絡中，節(jié)點的相互發(fā)現(xiàn)及網(wǎng)絡成型的過程會面臨一些問題。
早年間的 P2P 文件共享技術，比如 Napster，使用單個服務器共享信息，信息中記錄誰擁有什么文件。某個節(jié)點向中心服務器發(fā)起連接并提交記錄自己所擁有文件的列表。另一個節(jié)點之后向同一個中心服務器發(fā)起連接，尋找自己所需文件的存儲節(jié)點，然后和找到的節(jié)點建立聯(lián)系。然而這是一個有缺陷的系統(tǒng) —— 系統(tǒng)很容易遭受攻擊，而且中心化服務器節(jié)點可能會吃官司。（譯者注：單個服務器上存儲文件內(nèi)容和節(jié)點的對應關系，如果提供了一些受版權保護內(nèi)容的鏈接關系，那么這個中心化服務器的提供者將直接受到原版權方的法律追責）
因此，點對點網(wǎng)絡亟需另一種解決方案。研究者們經(jīng)過數(shù)年研究和實驗，提出了分布式哈希表（DHT）。

Kademlia 是 Petar Maymounkov 和 David Mazières 于 2002 年發(fā)明的 DHT 協(xié)議。我覺得這個協(xié)議可能是最流行，而且使用最廣泛的 DHT 協(xié)議

Kademlia 使用 XOR（異或操作符） 作為距離函數(shù)。XOR 函數(shù)的特點在于，只有當輸入不同時，輸出才為 true。下面是用二進制標識符表示的例子。

XOR 10011001 00110010 -------- 10101011
上面的這個例子是說，十進制數(shù)字 153 和 50 之間的距離是 171。

基本算法

Kademlia 是分布式散列表（DHT，Distributed Hash Table）的一種，類似的還有 Chord，Pastry 等。DHT 技術是去中心化 P2P 網(wǎng)絡中最核心的一種路由尋址技術，可以在無中心服務器（trackerless）的情況下，在網(wǎng)絡中快速找到目標節(jié)點。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/40286711

假設現(xiàn)在的當前節(jié)點是 001，它想要查的目標節(jié)點是 101 節(jié)點。

查找

我們可以看到，整個檢索過程是不斷收斂的，查詢復雜度是可以證明是 Log N

BTC節(jié)點類型及角色

管比特幣點對點網(wǎng)絡中的各個節(jié)點地位對等，但是根據(jù)所提供的功能不同，各節(jié)點可能具有不同的角色。比特幣節(jié)點是路由、區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫、挖礦、錢包服務這些功能的集合。全節(jié)點（full node）包括如下圖所示的四個功能（錢包，礦工，完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡路由的比特幣網(wǎng)絡節(jié)點）：

角色

下圖描述了擴展比特幣網(wǎng)絡中多種類型的節(jié)點、網(wǎng)關服務器、邊緣路由器、錢包客戶端以及它們相互連接所需的各類協(xié)議。z

image.png

礦工網(wǎng)絡分成礦機、礦池、錢包等幾個主要部分，有時礦池軟件與錢包安裝在一起，可合稱為礦池。

礦機與礦池軟件之間的通訊協(xié)議是stratum，而礦池軟件與錢包之間的通訊是bitcoinrpc接口

比特幣傳輸網(wǎng)絡

雖然比特幣點對點網(wǎng)絡服務于各種各樣類型節(jié)點的一般需求，但是對于比特幣挖礦節(jié)點的特殊需求，它的網(wǎng)絡延遲就顯得太高了。

比特幣礦工參與的是時效性很強的競爭，以解決工作證明問題，延長區(qū)塊鏈。在參與這項競爭的同時，比特幣礦工必須盡可能縮短從傳播一個獲勝區(qū)塊到開始下一輪競爭之間的時間。挖礦中，網(wǎng)絡延遲與利潤率直接相關。

傳輸網(wǎng)絡不是替代比特幣的點對點網(wǎng)絡。相反，它們是重疊網(wǎng)絡，在具有特殊需求的節(jié)點之間提供額外的連接，就像高速公路不能替代鄉(xiāng)村道路，而是交通繁忙的兩點之間的捷徑，仍然需要通過小路連接高速公路。

Matt Corallo創(chuàng)建的Fast Internet Bitcoin Relay Engine 或者 FIBRE。 FIBER是一種基于UDP的傳輸網(wǎng)絡，可以節(jié)點網(wǎng)絡內(nèi)傳輸區(qū)塊。 FIBRE實現(xiàn)了壓縮區(qū)塊優(yōu)化，以進一步減少數(shù)據(jù)傳輸量和網(wǎng)絡延遲。

康奈爾大學研究的另一個傳輸網(wǎng)絡（仍在提案階段）是 Falcon。 Falcon使用“直通路由”而不是“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”來減少延遲，方法是在接收到區(qū)塊時就開始部分傳輸，而不是等到接收到完整的區(qū)塊。

網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)

當新的網(wǎng)絡節(jié)點啟動后，它必須發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的其他比特幣節(jié)點才能參與。要啟動這個過程，新節(jié)點必須在網(wǎng)絡上發(fā)現(xiàn)至少一個現(xiàn)有節(jié)點并連接到該節(jié)點。其他節(jié)點的地理位置在哪兒都沒有關系，比特幣網(wǎng)絡拓撲結構沒有地理位置的定義。因此，可以隨機選擇任何現(xiàn)有的比特幣節(jié)點。

為了連接到一個已知的對等點，節(jié)點會建立一個TCP連接，通常連接到端口8333（通常被稱為比特幣使用的端口），或者如果指定了另一個端口，則連接到另一個端口。

新節(jié)點如何找到對等節(jié)點？ 第一種方法是使用一些“DNS種子”來查詢DNS，DNS種子就是提供比特幣節(jié)點IP地址列表的DNS服務器。 其中一些DNS種子提供了穩(wěn)定的比特幣偵聽節(jié)點的IP地址靜態(tài)列表。 一些DNS種子是BIND（Berkeley Internet Name Daemon）的自定義實現(xiàn)，它從爬蟲程序或長時間運行的比特幣節(jié)點收集的比特幣節(jié)點地址列表中返回一個隨機子集。 Bitcoin Core客戶端包含五種不同DNS種子的名稱。 不同DNS種子的所有權的多樣性和實現(xiàn)的多樣性為初始引導過程提供了高水平的可靠性。

或者，一個剛剛啟動的節(jié)點，對網(wǎng)絡一無所知，必須被賦予至少一個比特幣節(jié)點的IP地址，之后才可以通過進一步的引見建立連接。 在使用初始種子節(jié)點完成引見后，客戶端將斷開連接并使用新發(fā)現(xiàn)的對等節(jié)點。

建立連接

地址傳播和發(fā)現(xiàn)

交換庫存

總結

1. 先說明了IP協(xié)議本身就是去中心化和扁平的，P2P是最天然的基于IP協(xié)議的傳輸方式。
2. 由于IP是有限的，我們利用網(wǎng)關組件了局域網(wǎng)。
3. 局域網(wǎng)通過網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)到目標IP，這時候我們?nèi)绻虢2P就需要知道對方的真實IP。
4. P2P網(wǎng)絡可以有不同的拓撲結構。
5. 區(qū)塊鏈是沒有中心化tracker的拓撲結構。
6. Kademlia及其改進協(xié)議提供了對數(shù)級別的查找節(jié)點的算法。
7. BTC的網(wǎng)絡分為不同的角色。
8. BTC網(wǎng)絡建立也需要有網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)同步的過程。

參考

Stratum_mining_protocol
MasterBitcoin2CN
P2P 網(wǎng)絡核心技術：Kademlia 協(xié)議
內(nèi)網(wǎng)，外網(wǎng)，NAT，網(wǎng)絡穿透的故事