在上一篇文章中，我大致講解了一下區塊鏈技術的幾個核心要素。P2P網絡協議、分布式一致性算法（共識機制）、加密簽名算法、賬戶與存儲模型。今天我們就來看看區塊鏈技術的第一個核心要素：P2P網絡。
如果我們簡單來看P2P技術，它的應用領域已經非常廣泛了，從流媒體到點對點通訊、從文件共享到協同處理，多種領域都有它的身影出現。
同樣的，P2P的網絡協議也有很多，比較常見的有BitTorrent、ED2K、Gnutella、Tor等，也就是我們常說的BT工具和電驢。
比特幣、以太坊等眾多數字貨幣都實現了屬於自己的P2P網絡協議，但是這種模式並不同於以上討論的P2P網絡協議，所以我們今天討論的重點主要是區塊鏈技術的P2P技術，也就是比特幣和以太坊的P2P網絡。
由於區塊鏈的P2P網絡技術知識繁多，我們主要提煉其中的四個內容進行講解：區塊鏈的網絡連接與拓撲結構、節點發現、局域網穿透與節點交互協議。
希望讀完本篇可以讓你對目前成熟的區塊鏈P2P網絡的拓撲結構以及運行原理有個大體的認知。
網絡連接與拓撲結構
1.網絡連接
除去少數支持UDP協議的區塊鏈項目外，絕大部分的區塊鏈項目所使用的底層網絡協議依然是TCP/IP協議。
所以從網絡協議的角度來看，區塊鏈其實是基於TCP/IP網絡協議的，這與HTTP協議、SMTP協議是處在同一層，也就是應用層。
在“區塊鏈的常見誤區”這篇文章中，我們提到了“區塊鏈是否會顛覆互聯網”這一說法，如果要是認真分析的話，它顛覆的層面其實最多只到HTTP協議，不能再多了。
以HTTP協議為代表的、與服務端的交互模式在區塊鏈上被徹底打破了，變更為完全的點對點拓撲結構，這也是以太坊提出的Web3.0的由來。
比特幣的P2P網絡是一個非常復雜的結構，考慮到礦池內部的挖礦交互協議與輕節點。我們僅僅討論全節點這種場景下的P2P網絡發現與路由。
比特幣的P2P網絡基於TCP構建，主網默認通信端口為8333。
以太坊的P2P網絡則與比特幣不太相同，以太坊P2P網絡是一個完全加密的網絡，提供UDP和TCP兩種連接方式，主網默認TCP通信端口是30303，推薦的UDP發現端口為30301。
2.拓撲結構
P2P網絡拓撲結構有很多種，有些是中心化拓撲，有些是半中心化拓撲，有些是全分布式拓撲結構。
比特幣全節點組成的網絡是一種全分布式的拓撲結構，節點與節點之間的傳輸過程更接近“泛洪算法”，即：交易從某個節點產生，接着廣播到臨近節點，臨近節點一傳十十傳百，直至傳播到全網。
（比特幣全球節點圖，圖來自網絡）
全節點與SPV簡化支付驗證客戶端之間的交互模式，更接近半中心化的拓撲結構，也就是SPV節點可以隨機選擇一個全節點進行連接，這個全節點會成為SPV節點的代理，幫助SPV節點廣播交易。
節點發現
節點發現是任何區塊鏈節點接入區塊鏈P2P網絡的第一步。這與你孤身一人去陌生地方旅游一樣，如果沒有地圖和導航，那你只能拽附近的人問路，“拽附近的人問路”的這個動作就可以理解成節點發現。
節點發現可分為初始節點發現，和啟動后節點發現。初始節點發現就是說你的全節點是剛下載的，第一次運行，什么節點數據都沒有。啟動后發現表示正在運行的錢包已經能跟隨網絡動態維護可用節點。
1.初始節點發現
在比特幣網絡中，初始節點發現一共有兩種方式。
第一種叫做DNS-seed，又稱DNS種子節點，DNS就是中心化域名查詢服務，比特幣的社區維護者會維護一些域名。
比如seed.bitcoin.sipa.be這個域名就是由比特幣的核心開發者Sipa維護的，如果我們通過nslookup會發現大約二十多個A紀錄的IPv4主機地址。
我們通過nc命令嘗試連接域名下的某個主機的8333端口會發現連接成功，運行結構如下。
1 ✘ chenhao@chenhaodeMacBook-Pro ~ nc -nvv 149.202.179.35 8333 2 found 0 associations 3 found 1 connections: 4 1: flags=82<CONNECTED,PREFERRED> 5 outif en0 6 src 192.168.1.104 port 62125 7 dst 149.202.179.35 port 8333 8 rank info not available 9 TCP aux info available 10 Connection to 149.202.179.35 port 8333 [tcp/*] succeeded!
好的，到目前為止我們已經手動做了一遍初始節點發現的工作，這些操作是由比特幣的代碼完成的。
第二種方式就是，代碼中硬編碼（ hard-code ）了一些地址，這些地址我們稱之為種子節點（seed-node），當所有的種子節點全部失效時，全節點會嘗試連接這些種子節點。
用在以太坊中，思路也大致相同，也是在代碼中硬編碼（hard-code）了一些種子節點做類似的工作。
2.啟動后節點發現
在Bitcoin 的網絡中，一個節點可以將自己維護的對等節點列表(peer list)發送給臨近節點，所以在初始節點發現之后，你的節點要做的第一件事情就是向對方要列表：“快把你的節點列表給我復制一份。”
所以在每次需要發送協議消息的時候，它會花費固定的時間嘗試和已存的節點列表中的節點建立鏈接，如果有任何一個節點在超時之前可以連接上，就不用去DNS seed 獲取地址，一般來說，這種可能性很小，尤其是全節點數目非常多的情況下。
而在以太坊網絡中，也會維護類似的一個節點列表(NodeTable)，但是這個節點列表與比特幣的簡單維護不同，它采用了P2P網絡協議中一個成熟的算法，叫做Kademlia網絡，簡稱KAD網絡。
它使用了DHT來定位資源，全稱Distributed Hash Table，中文名為分布式哈希表。KAD網絡會維護一個路由表，用於快速定位目標節點。由於KAD網絡基於UDP通信協議，所以以太坊節點的節點發現是基於UDP的，如果找到節點以后，數據交互又會切換到TCP協議上。
3.黑名單與長連接
公有區塊鏈面臨的網絡環境是非常開放的，任何人只要下載好錢包，打開運行就進入了這個P2P網絡，這也會帶來被攻擊的可能。
所以在比特幣的代碼中，會有一段去控制邏輯，你可以手動將你認為可疑的節點移除並加入禁止列表，同時去配置可信的節點。當然，以上並不屬於客戶端的標准協議的一部分，任何人都可以實現屬於自己的P2P網絡層。
以太坊上有針對賬戶進行的黑名單處理，但是這屬於業務層。我沒有找到很詳盡的資料，所以你有興趣的話，可以自己嘗試一下。
不過總的來說，黑名單我們也可以通過操作系統的防火牆去處理，這並不算一個特別棘手的問題。
局域網穿透
前面我們說到了區塊鏈的P2P網絡結構是一種全分布式的拓撲結構。但是，如今我們的網絡環境是由局域網和互聯網組成的。也就是說，當你在局域網運行一個區塊鏈節點，在公網是發現不了的，公網上的節點只能被動接受連接，並不能主動發起連接。
如果這個局域網是你可以控制的，那么很好說，咱們只需要在VPC網絡中配置路由，將公網IP和端口映射到局域網中你的IP和端口即可。
這個條件是非常苛刻的，那么到底有沒有一種方案可以自行建立映射呢？答案是：有，就是NAT技術和UPnP協議。
NAT技術非常常見，這里使用的是源NAT，簡而言之就是替換TCP報文中的源地址並映射到內網地址。
UPnP是通用即插即用（Universal Plug and Play）的縮寫，它主要用於設備的智能互聯互通，所有在網絡上的設備馬上就能知道有新設備加入。
這些設備彼此之間能互相通信，更能直接使用或者控制它，一切都不需要人工設置。有關UPnP的資料比較多，這里就不贅述了，你可以自行搜索相關的信息。
比特幣和以太坊均使用了UPnP協議作為局域網穿透工具，只要局域網中的路由設備支持NAT網關功能、支持UPnP協議，即可將你的區塊鏈節點自動映射到公網上。
節點交互協議
一旦節點建立連接以后，節點之間的交互是遵循一些特定的命令，這些命令寫在消息的頭部，消息體寫的則是消息內容。
命令分為兩種，一種是請求命令，一種是數據交互命令。
節點連接完成要做的第一件事情叫做握手操作。這一點在比特幣和以太坊上的流程是差不多的，就是相互問候一下，提供一些簡要信息。
比如先交換一下版本號，看看是否兼容。只是以太坊為握手過程提供了對稱加密，而比特幣沒有。
握手完畢之后，無論交互什么信息，都是需要保持長連接的，在比特幣上有PING/PONG這兩種類型的消息，這很明顯就是用於保持節點之間長連接的心跳而設計的；而在以太坊的設計中，將PING/PONG協議移到了節點發現的過程中。
請求命令一般分為發起者請求，比如比特幣中的 getaddr 命令是為了獲取對方的可用節點列表，inv命令則提供了數據傳輸，消息體中會包含一個數據向量。
我們說區塊鏈最重要的功能就是同步區塊鏈，而同步區塊恰巧是最考驗P2P網絡能力的。區塊同步方式分為兩種，第一種叫做HeaderFirst，它提供了區塊頭先同步，同步完成以后再從其他節點獲得區塊體。
第二種叫做BlockFirst，這種區塊同步的方式比較簡單粗暴，就是從其他節點獲取區塊必須是完整的。第一種方案提供了較好的交互過程，減輕了網絡負擔。這兩種同步方式會直接體現在節點交互協議上，他們使用的命令邏輯完全不同。
總結
今天我與你分享了區塊鏈的P2P網絡結構與節點交互過程，一般P2P網絡技術要解決兩個主要問題，第一是資源定位，第二是資源獲取，這一篇文章也是主要圍繞這兩點展開，其中節點發現和局域網穿透是屬於資源定位問題，節點交互協議是屬於資源獲取問題。
在這一篇文章中，我僅以比特幣和以太坊為例進行分享，雖然區塊鏈項目比較多，但是他們要做的事情大多是類似的，比如以太坊是改進版的實現，而比特幣使用了簡單版實現。
P2P網絡模塊作為所有區塊鏈的最底層模塊，直接決定了整個區塊鏈網絡的穩定性。區塊鏈網絡是一個網狀分布式的結構，與互聯網結構有點相似，那么，親愛的讀者，我們是不是可以設計一個節點爬蟲，去爬全網節點呢？你可以給我留言，我們一起討論。
感謝你的收聽，我們下次再見。
--------文章來自《極客時間》深入淺出區塊鏈專欄