以太坊源码(01)：P2P网络及节点发现机制

目录

1 分布式网络介绍

1.1 Kad网介绍

1.2 Kad网络节点距离

1.3 K桶

1.4 Kad通信协议

2 邻居节点

2.1 NodeTable类主要成员

2.2 邻居节点发现方法

2.3 邻居节点网络拓扑及刷新机制。

1 分布式网络介绍

以太坊底层分布式网络即P2P网络，使用了经典的Kademlia网络，简称kad。

1.1 Kad网介绍

Kademlia在2002年由美国纽约大学的PetarP.Manmounkov和DavidMazieres提出，是一种分布式散列表(DHT)技术，以异或运算为距离度量基础，已经在BitTorrent、BitComet、Emule等软件中得到应用。

1.2 Kad网络节点距离               

以太坊网络节点距离计算方法：

• Node1：节点1 NodeId

• Node2：节点2 NodeId

1.3 K桶

Kad的路由表是通过称为K桶的数据构造而成，K桶记录了节点NodeId，distance，endpoint，ip等信息。以太坊K桶按照与target节点距离进行排序，共256个K桶，每个K桶包含16个节点。

图1.1

1.4 Kad通信协议

    以太坊Kad网络中节点间通信基于UDP，主要由以下几个命令构成，若两个节点间PING-PONG握手通过，则认为相应节点在线。

Kad通信协议，基于UDP
序号	分类	功能描述	构成
1	PING	探测一个节点，判断其是否在线	struct PingNode {          h256  version = 0x3;          Endpoint  from;          Endpoint  to;          uint32_t  timestamp; };
2	PONG	PING命令响应	struct Pong {                        Endpoint to;                        h256 echo;                        uint32_t timestamp; };
3	FINDNODE	向节点查询某个与目标节点ID距离接近的节点	struct FindNeighbours {                        NodeId target;                 uint32_t timestamp; };
4	NEIGHBORS	FIND_NODE命令响应，发送与目标节点ID距离接近的K桶中的节点	struct Neighbours {                        list nodes: struct Neighbour                        {                                     inline Endpoint endpoint;                                       NodeId node;                        };                                               uint32_t timestamp; };

2 邻居节点

2.1 NodeTable类主要成员

C++版本以太坊源码中，NodeTable是以太坊 P2P网络的关键类，所有与邻居节点相关的数据和方法均由NodeTable类实现。

序号	成员名称	说明	备注
1	m_node	本节点，包含NodeId、endpoint、ip等
2	m_state	K桶，包含邻居节点的NodeId、distance、endpoint、ip
3	m_nodes	已知的节点信息，但并没有加入到K桶

序号	函数名	路径	功能
1	NodeTable::NodeTable(ba::io_service&  _io, KeyPair const& _alias, NodeIPEndpoint const& _endpoint, bool  _enabled)	cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	NodeTable类构造函数，初始化K桶，发起邻居节点发现过程
2	void  NodeTable::doDiscovery()	Cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	具体发现函数
3	shared_ptr<NodeEntry>  NodeTable::addNode(Node const& _node, NodeRelation _relation)	cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	将节点加入m_nodes，并发起ping握手
4	void  NodeTable::doDiscover(NodeID _node, unsigned _round,  shared_ptr<set<shared_ptr<NodeEntry>>> _tried)	cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	底层发现函数，从k桶中选出节点，发送FINDNODE命令
5	vector<shared_ptr<NodeEntry>>  NodeTable::nearestNodeEntries(NodeID _target)	cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	从K桶中选出节点
6	void  NodeTable::onReceived(UDPSocketFace*, bi::udp::endpoint const& _from,  bytesConstRef _packet)	cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	Kad协议处理
7	void  NodeTable::noteActiveNode(Public const& _pubk, bi::udp::endpoint  const& _endpoint)	cpp-ethereum /libp2p/NodeTable.cpp	将新节点加入到K桶

2.2 邻居节点发现方法

     邻居节点是指加入到K桶，并通过PING-PONG握手的节点。

图2.1

邻居节点发现流程说明：

1. 系统第一次启动随机生成本机节点NodeId，记为LocalId,生成后将固定不变，本地节点记为local-eth。

2. 系统读取公共节点信息，ping-pong握手完成后，将其写入K桶。

3. 系统每隔7200ms刷新一次K桶。

4. 刷新K桶流程如下：

a.      随机生成目标节点Id，记为TargetId，从1开始记录发现次数和刷新时间。

b.      计算TargetId与LocalId的距离，记为D_lt

c.      K桶中节点的NodeId记为KadId，计算KadId与TargetId的距离，记为D_kt

d.      找出K桶中D_lt大于D_kt的节点，记为k桶节点，向k桶节点发送FindNODE命令，FindNODE命令包含TargetId

e.      K桶节点收到FindNODE命令后，同样执行b-d的过程，将从K桶中找到的节点使用Neighbours命令发回给本机节点。

f.       本机节点收到Neighbours后，将收到的节点写入到K桶中。

g.      若搜索次数不超过8次，刷新时间不超过600ms，则返回到b步骤循环执行。

   

2.3 邻居节点网络拓扑及刷新机制。

图2.2

1 TargetId为随机生成的虚拟节点ID。

2 以太坊Kad网络与传统Kad网络的区别：

1. 以太坊节点在发现邻居节点的8次循环中，所查找的节点均在距离上向随机生成的TargetId收敛。

2. 传统Kad网络发现节点时，在距离上向节点本身收敛。

本文由HPB（芯链）团队整理。