“P2P网络“在区块链当中扮演的角色

Posted 2023-03-30 lianamer

 区块链与P2P网络简介
        公组密码体制、共识机制和P2P网络是比特币系统的三大支撑技术， 其中P2P网络作为其系统的底层网络支撑具有极其重要的作用。比特币之后，加密算法与共识机制都有不少的变化与创新，但是P2P网络作为底层网络传输手段的地位却没有任何技术能够代替，可想而知P2P网络在区块链技术当中扮演着无可撼动的地位。
P2P与区块链的关系
        P2P在区块链的结构模型中处于网络层，网络层的主要目的是实现区块链网络中节点之间的信息传播、验证和交流。区块链网络本质上是一个P2P网络，每个节点既能接受信息也能产生信息。节点之间通过维护一个共同的区块链来保持通信。
        区块链网络中，每一个节点都可以创造新的区块，在新区块被创造后  会以广播的形式通知其他节点，其他节点会对这个区块进行验证，当全区块链网络中超过规定数量的用户验证通过后，这个新区块就可以被添加到主链上了。在区块链网络中，每一个节点都会如前面介绍的P2P网络模型一样，连接网络中的其他一些节点，节点在不同的区块链中使用P2P网络 进行节点间信息的传播和验证时，采用的机制与算法会有所差异，比如：比特币网络使用相对简单的P2P协议方法来执行对等节点的发现和节点间的通信;以太坊使用的是以Kadelima协议为基础的方式;而超级账本采用基于Gossip的协议实现P2P的数据分发。

区块链网络的可靠性
        由于区块链使用P2P网络作为底层网络架构，因而具有了P2P网络的高容错的特点，因为网络中的资源是分布在每一个节点中的，即使一个节点遭到了破坏，整个网络并不会受到太大的影响，而且点对点网络具有自我调节能力,在一些节点离开之后，能够自动调节其网络拓扑结构，因此，节点的加入或离开都比较方便，而且不会影响这个网络。并且，区块链网整中节点越多，网络的健壮性就越好。综合来说，区块链网络是点对点网的升级版，在点对点网络的基础上，增加了一些区块链对数据的验证，  从而保证了区块链网络的安全性和可靠性。
        由于区块链本质上是分布式的分类账本，因此，P2P网络模式是当前主流区块链运作的基础。它为区块链提供了如下技术优势。
1.防止单点攻击
        当网络中某个节点丢失而导致数据丢失时，因为其他节点仍然保留该数据副本，所以并不会造成整个网络中该数据的丢失。
2.较强的容错性
        即使某些节点出现故障，也不会对整个网络造成损害，因为有多个信息来源可用。
3.较好的兼容性与可扩展性
        可以轻松适应越来越多的节点，并适应网络配置的频繁变化。以比特币系统为例，在区块链中，节点负责运行维护整个比特币系统。节点通过一种发送事务的机制，更新区块链，并有效地将信息传递到网络上的每个节点。该发送事务机制中，实现信息的全网发布就是采用了“绯闻协议”，即任意节点都将数据发送给它所知道的每个节点，并从这些节 点接收数据，然后所有的节点依据它们收到的数据更新相应的内容，这样就实现了信息在整个网络中有效传播。
        当然，采用P2P的区块链网络并非完美无缺，仍然存在一些安全隐患网络专家Bahack指出，与普通节点相比，具有良好网络连接的攻击者更容易发起块丢弃攻击(Block Dis-carding Attack)。攻击者将多个具有良好网络连接的节点置于网络中，使其具有网络连接优势，进而不但可以方便
地获知新被挖掘的区块，也可以比其他节点更加快速地传播某个区块。在此攻击中，当攻击者挖出新区块时，先不公布，一旦得知任何合法节点公布区块时，攻击者便立即发布自己的采矿块，并且利用布置好的节点快速地播报到整个网络，使得该合法节点开采的区块被丢弃。块丢弃攻击带来
的威胁十分巨大，攻击者不仅浪费了合法节点的算力资源，而且可以选择地记录某些交易(每个区块大小有限,因此每个区块记录的交易数目有限)从而使得另一些重要合法交易的确认被延误。
        Feld等学者的研究表明，在比特币系统中，若对等节点所连接的大部分对等节点都位于同一个自治系统，则意味着P2P网络连接不良。在这种情况下，添加新的区块到区块链中可能存在困难。若有攻击者发起类似这样的攻击，则将使得分布式共识的实现变得十分困难，区块链数据的合法性与完整性将无法得到保障，这将给区块链的正常运行带来严重的灾难。

实现案例:比特币系统的P2P网络  

        比特币网络中存在不同类型的节点，不同节点在P2P网络中扮演的角色也有所不同，其中发挥核心作用的是完整节点，比特币网络协议使用完整节点为区块和交易的交换协作来维护P2P网络。在把区块和交易转发到其他节点之前，完整节点下载和验证当前区块和交易。文档节点是存储了  整个区块链并且能够为其他节点提供历史区块的节点。轻量级节点(修剪节点)是不存储整个区块链的节点。许多轻钱包简单支付验证(Simplfed  Payment Verification, SPV)客户端也使用比特币网络协议连接到完整节点。  
        客户端也使用比特币网络协议连接到完整节点。  下面简单描述一下比特币系统的P2P网络的工作过程。由于P2P网络  没有一个服务器，那么比特币网络中的节点是如何发现其他节点的呢?这  就需要节点的发现协议来实现。首先该节点会启动一个网络端口(比特币  中通常是8333)，通过这个端口与其他已知节点建立连接。连接时，会发  送一条包含认证内容的消息进行“握手”确认。由于比特币系统的P2P网络是靠彼此共享节点信息来寻找其他节点的，当一个节点与其他节点建立连接后，会发送一条包含自身IP地址的消息给邻近的节点，而邻居节点收到后会再次发送给自己的邻居，以此逐步完成全网络的信息同步。当然  节点并不是只能被动等待接收信息，也可以自己主动发送请求给其他节点索取这些地址信息。如果发现节点之间能够连接成功，那么就会被记录下  来，下次启动时就会自动去寻找上次成功连接过的节点。也就是说，比特币系统的P2P网络在失去已有连接时会去主动发现新节点，同时也为其地节点提供链接信息，以此来完成整个网络的信息同步。
        为了提供实际的比特币系统的P2P网络的例子，本节使用比特币核心作为完整节点代表，使用比特币J作为SPV客户端代表。两个程序都是灵活的，所以仅描述了默认的行为，而且为了隐私，例子中实际的P地址使用RFC5737保留的IP地址替代。