以太坊源碼(01)：P2P網絡及節點發現機制

目錄

1 分布式網絡介紹

1.1 Kad網介紹

1.2 Kad網絡節點距離

1.3 K桶

1.4 Kad通信協議

2 鄰居節點

2.1 NodeTable類主要成員

2.2 鄰居節點發現方法

2.3 鄰居節點網絡拓撲及刷新機制。

 

1 分布式網絡介紹

以太坊底層分布式網絡即P2P網絡，使用了經典的Kademlia網絡，簡稱kad。

1.1 Kad網介紹

Kademlia在2002年由美國紐約大學的PetarP.Manmounkov和DavidMazieres提出，是一種分布式散列表(DHT)技術，以異或運算為距離度量基礎，已經在BitTorrent、BitComet、Emule等軟件中得到應用。

 

1.2 Kad網絡節點距離               

以太坊網絡節點距離計算方法：

 

• Node1：節點1 NodeId

• Node2：節點2 NodeId

 

1.3 K桶

Kad的路由表是通過稱為K桶的數據構造而成，K桶記錄了節點NodeId，distance，endpoint，ip等信息。以太坊K桶按照與target節點距離進行排序，共256個K桶，每個K桶包含16個節點。

 

圖1.1

 

1.4 Kad通信協議

    以太坊Kad網絡中節點間通信基於UDP，主要由以下幾個命令構成，若兩個節點間PING-PONG握手通過，則認為相應節點在線。

Kad通信協議，基於UDP
序號	分類	功能描述	構成
1	PING	探測一個節點，判斷其是否在線	struct PingNode {          h256  version = 0x3;          Endpoint  from;          Endpoint  to;          uint32_t  timestamp; };
2	PONG	PING命令響應	struct Pong {                        Endpoint to;                        h256 echo;                        uint32_t timestamp; };
3	FINDNODE	向節點查詢某個與目標節點ID距離接近的節點	struct FindNeighbours {                        NodeId target;                 uint32_t timestamp; };
4	NEIGHBORS	FIND_NODE命令響應，發送與目標節點ID距離接近的K桶中的節點	struct Neighbours {                        list nodes: struct Neighbour                        {                                     inline Endpoint endpoint;                                       NodeId node;                        };                                               uint32_t timestamp; };

 

2 鄰居節點

2.1 NodeTable類主要成員

C++版本以太坊源碼中，NodeTable是以太坊 P2P網絡的關鍵類，所有與鄰居節點相關的數據和方法均由NodeTable類實現。

 

序號	成員名稱	說明	備注
1	m_node	本節點，包含NodeId、endpoint、ip等
2	m_state	K桶，包含鄰居節點的NodeId、distance、endpoint、ip
3	m_nodes	已知的節點信息，但並沒有加入到K桶

 

序號	函數名	路徑	功能
1	NodeTable::NodeTable(ba::io_service&  _io, KeyPair const& _alias, NodeIPEndpoint const& _endpoint, bool  _enabled)	cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	NodeTable類構造函數，初始化K桶，發起鄰居節點發現過程
2	void  NodeTable::doDiscovery()	Cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	具體發現函數
3	shared_ptr<NodeEntry>  NodeTable::addNode(Node const& _node, NodeRelation _relation)	cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	將節點加入m_nodes，並發起ping握手
4	void  NodeTable::doDiscover(NodeID _node, unsigned _round,  shared_ptr<set<shared_ptr<NodeEntry>>> _tried)	cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	底層發現函數，從k桶中選出節點，發送FINDNODE命令
5	vector<shared_ptr<NodeEntry>>  NodeTable::nearestNodeEntries(NodeID _target)	cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	從K桶中選出節點
6	void  NodeTable::onReceived(UDPSocketFace*, bi::udp::endpoint const& _from,  bytesConstRef _packet)	cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	Kad協議處理
7	void  NodeTable::noteActiveNode(Public const& _pubk, bi::udp::endpoint  const& _endpoint)	cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	將新節點加入到K桶

 

2.2 鄰居節點發現方法

     鄰居節點是指加入到K桶，並通過PING-PONG握手的節點。

圖2.1

 

鄰居節點發現流程說明：

1. 系統第一次啟動隨機生成本機節點NodeId，記為LocalId,生成后將固定不變，本地節點記為local-eth。

2. 系統讀取公共節點信息，ping-pong握手完成后，將其寫入K桶。

3. 系統每隔7200ms刷新一次K桶。

4. 刷新K桶流程如下：

a.      隨機生成目標節點Id，記為TargetId，從1開始記錄發現次數和刷新時間。

b.      計算TargetId與LocalId的距離，記為D_lt

c.      K桶中節點的NodeId記為KadId，計算KadId與TargetId的距離，記為D_kt

d.      找出K桶中D_lt大於D_kt的節點，記為k桶節點，向k桶節點發送FindNODE命令，FindNODE命令包含TargetId

e.      K桶節點收到FindNODE命令后，同樣執行b-d的過程，將從K桶中找到的節點使用Neighbours命令發回給本機節點。

f.       本機節點收到Neighbours后，將收到的節點寫入到K桶中。

g.      若搜索次數不超過8次，刷新時間不超過600ms，則返回到b步驟循環執行。

   

2.3 鄰居節點網絡拓撲及刷新機制。

圖2.2

 

1 TargetId為隨機生成的虛擬節點ID。

2 以太坊Kad網絡與傳統Kad網絡的區別：

1. 以太坊節點在發現鄰居節點的8次循環中，所查找的節點均在距離上向隨機生成的TargetId收斂。

2. 傳統Kad網絡發現節點時，在距離上向節點本身收斂。

 

本文由HPB（芯鏈）團隊整理。