版权声明:可以转载,但请备注原文链接:https://shuwoom.com/?p=449


区块链网络是去中心化的网络,是一个P2P网络(Peer-to-Peer)网络。网络中不存在中央化的服务和层级结构,每个节点都是对等的节点,各个节点共同提供网络服务。即是客户端,又是服务器。

一、节点角色和分工

区块链P2P网络中,虽然每个节点是对等的,但是根据各个节点所提供的功能不同,可以将节点分为几种类型。每个节点都是区块链数据库、网络路由、挖矿和钱包服务的功能集合。

下面是区块链网络中3个重要的角色:

(1)全节点:包含完整区块链、网络路由、矿工和钱包的服务。

(2)矿工:包含完整区块链、网络路由、矿工服务,不包含钱包服务。

(3)轻量钱包(SPV):仅包含网络路由和钱包的服务。

 

二、核心场景

下面我们是考虑一个通用的区块链网络所必须要有的核心场景,实现这些场景,基本上区块链P2P网络的基本原型就出来了。

(1)节点接入P2P网络

(2)矿工、全节点同步区块链(下载最新区块、交易)

(3)轻量钱包创建一笔交易

(4)矿工、全节点接收交易

(5)矿工、全节点挖出新区块,并广播到网络中

(6)矿工、全节点接收广播的区块

 

三、通信模型

在第二部分,我们列举出了区块链P2P网络的6个核心场景,下面我们针对上述6个场景,设计相应的通信协议。

(1)握手通信

    一个新节点在刚加入区块链网络的时候,需要对种子节点建立链接,通过种子节点与区块链网络建立联系。这里种子节点可以是网络中公共的DNS种子节点,也可以是自己设定的已知节点地址。

备注:在没有进行握手通信前,是不能进行下面其他操作的。

  • 发送:version消息,包括:version(区块链版本号)、当前节点区块高度BestHeight、本节点地址addfrom
  • 响应:返回verack消息,包括:version(区块链版本号)、当前节点区块高度BestHeight、本节点地址addfrom

 

(2)地址广播及发现

    节点在加入区块链网络以后,需要广播自己的地址,让其他网络的节点知道自己的节点信息。同时,与其他相邻节点建立联系。

  • 发送:getaddr消息,让对方节点返回其已知的相邻节点地址列表,包括:本节点地址addfrom
  • 响应:返回addr消息,包括:节点地址信息

(3)区块链同步

    由于区块链P2P网络中,每个节点都会维护一份区块链数据,但是节点之间维护的数据不一定是最新的,所以需要节点之间同步最新区块链的数据紧张,最终让全网络维护一份一致的区块链数据。

  • 发送:getblocks消息,请求一个区块哈希的列表(告诉我你有什么区块),包括本节点地址addfrom
  • 响应:inv消息,告诉其他节点当前节点有什么块和交易(区块哈希和交易哈希),包括:本节点地址addfrom、类型type(表明这个区块还是交易)、区块哈希列表或交易哈希列表items

(4)获取某个区块或交易完整信息

  • 发送:getdata消息,用于请求某个块或交易的完整信息,包括:节点地址addfrom、类型type(表明请求的是区块还是交易)、区块哈希或交易哈希id
  • 响应:block消息,返回完整区块信息,包括:节点地址addfrom和区块完整数据。或响应tx消息,返回完整交易信息,包括:节点地址addfrom和交易完整数据

(5)检测节点存活

 

  • 发送:ping消息,用于检测节点是否存活
  • 响应:pong消息,返回pong消息,告诉对方节点还存活

 

(6)广播一个交易

发送:向相邻节点发送send_tx消息,广播创建的新交易:包括:节点地址addfrom交和交易哈希id

(7)广播一个区块

发送:向相邻节点发送send_block消息,广播挖出的新区块:包括节点地址addfrom交和区块哈希id

 

 

四、消息类型

节点之间通信的数据结构如下,不同的command对应不同的payload内容

message

字段 说明
command 消息类型,如version、verack、addr、getaddr等
length payload的字节数
payload 实际数据

以下是不同command类型对应的payload数据

 

version

payload:

字段 说明
version 版本标识
timestamp 以秒计算的UNIX时间戳
addr_me 发送此消息的节点的网络地址
addr_you 接收此消息的节点的网络地址
best_height 发送节点接收到的最新block

 

verack

payload:

字段 说明
command verack

 

getaddr

getaddr消息向一个节点发送获取已知活动端的请求,以识别网络中的节点。回应这个消息的方法是发送包含已知活动端信息的addr消息。一般的,一个3小时内发送过消息的节点被认为是活动的。
这个消息没有附加payload数据

addr

payload:

字段 说明
count 地址数
addr_list 网络上其他节点的地址列表

 

getblocks

发送此消息以期返回一个包含编号从hash_start到hash_stop的block列表的inv消息。若hash_start到hash_stop的block数超过500,则在500处截止。欲获取后面的block散列,需要重新发送getblocks消息。

payload:

字段 说明
start count hash_start的数量
hash_start 发送节点已知的最新block哈希
hash_stop 请求的最后一个block的哈希,如果要获取尽可能多的block,则设为0

 

inv

payload:

字段 说明
count inventory数量
inv_list inventory数据列表

 

getdata

getdata用于应答inv消息来获取指定对象,它通常在接收到inv包并滤去已知元素后发送。

payload:

字段 说明
count inventory数量
inv_list inventory数据列表

 

tx

tx消息描述一笔比特币交易,用于应答getdata消息。

payload:

字段 说明
version 交易数据格式版本
txin_count 交易的输入数
txin_list 交易输入列表
txout_count 交易输出数
txout_list 交易输出列表

txin的结构:

字段 说明
prev_tx_hash 引用的上一笔交易哈希
txout_index 指定输出的索引
script_length signature
script的长度
sicnagure_script 签名脚本

txout的结构:

字段 说明
value 交易金额
pk_script_length 锁定脚本长度
pk_script 锁定脚本

 

block

block消息用于响应请求交易信息的getdata消息。

payload:

字段 说明
version block版本
prev_block 上一个区块的哈希
merkleroot merkle树根的哈希
timestamp 时间戳
bits 这个区块的计算难度
nonce 生成这一block的nonce值
tx_count 交易数量
tx_list 交易列表,以tx格式存储

 

通过关注我的微信公众号(shuwoom的博客),每周定期接收博客内容推送:

参考:

[1] 比特币协议说明。https://en.bitcoin.it/wiki/Protocol_documentation

[2] https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial/blob/master/content/part-7/network.md

[3] 比特币网络。http://book.8btc.com/books/1/master_bitcoin/_book/6/6.html

 

打赏

发表评论

电子邮件地址不会被公开。