区块链技术笔记第二期公报（BTC）

区块链技术笔记（BTC）网络结构的第二弹——即继共识机制之后的又一大核心拓扑

在中本聪的设计下，比特币采用点对点的 P2P 去分布式网络架构。 P2P网络是指同一网络中的每一台计算机都是平等的，各个节点共同提供网络服务。 没有“特殊”的节点，每个网络节点以扁平（flat）的拓扑结构相互连接。 与中心化网络相比，P2P 网络中没有服务器或中心化服务。

P2P 网络的节点是交互连接和协调的。 每个节点在对外提供服务的同时，也使用网络中其他节点提供的服务。 每个节点既是服务器又是客户端。 除了应用于比特币网络的P2P网络模型外，广泛使用的BT下载也是基于P2P网络。 P2P网络不仅消除了中心化的风险（中心化可能作恶），还提高了传输效率。 （中心化网络也可以有优势）

下图显示了经典的 P2P 网络拓扑。

图 2.3.1

每个网络节点都是平等的（指的是节点在网络层面是平等的，但是每个节点在功能上可以有不同的分工，比如钱包节点、挖矿节点等），不存在“特殊” 中央节点。

发现节点

在中心化网络中，新加入的节点只要连接到一个“特殊”的中心节点就可以加入网络。

为了能够加入比特币网络，比特币客户端会做几件事：

1、节点会记住最近连接成功的网络节点，重启后可以快速重新建立与之前对端节点网络的连接。

2. 节点在失去现有连接时会尝试发现新节点。

3. 当一个或多个连接建立时，该节点向其邻居发送一条包含自己IP地址的消息。 相邻节点再将此消息依次转发给各自的相邻节点，以保证节点信息被多个节点接收到，连接更稳定。

4. 新加入的节点可以向其邻居发送getaddr 消息，要求它们返回已知对等点的IP 地址列表。 节点可以找到要连接的对等点。

5. 节点启动时，可以为节点指定一个活动节点IP。 如果不是，客户端还维护一个列表以下哪种是比特币运用的p2p协议，列出那些已经稳定运行了很长时间的节点。 这样的节点也称为种子节点（其实和BT下载的种子文件是一样的），通过种子节点可以快速发现网络中的其他节点。

握手协议

当一个节点与对等节点建立连接时，首先要做的就是握手。 过程如下：

节点向对端发送版本消息以开始握手。 此消息包含以下内容：

PROTOCOL_VERSION：当前节点的比特币P2P协议版本号；

nLocalServices：节点支持的本地服务列表，目前只支持NODE_NETWORK；

nTime：当前时间；

addrYou：当前节点可见的远程节点的IP地址；

addrMe：本节点发现的本地IP地址；

subver：当前节点运行的软件类型的subversion号；

baseHeight：区块链在当前节点上的高度。

peer节点收到version消息后，会回复verack确认并建立连接。 有时peer之间可能需要交换连接并回连到起始节点，此时peer也会发送该节点的version消息。

图 2.3.2

完成握手协议后，新节点会向对端发送包含自己IP地址的addr消息，对端收到后会向与其相连的相邻节点发送addr消息，这样新节点的ip地址就会在 P2P 网络中广播。 另外以下哪种是比特币运用的p2p协议，新节点也可以发送getaddr消息，要求对端发送自己知道的节点的IP地址。 通过这种方式，新节点可以找到他们需要连接的对等点。 如下所示：

图 2.3.3

节点必须连接到几个不同的对等节点，以便在比特币网络中建立到比特币网络的各种路径。 由于节点可以随时加入和离开，因此通信路径不可靠。 因此，节点必须不断地做两项工作：当它们失去现有连接时发现新节点，并在其他节点出现时帮助它们。 一个节点启动只需要一个连接，因为第一个节点可以将它引用给它的对等节点，而这些节点又提供进一步的引用。 如果一个节点连接到大量其他对等节点，这既没有必要也不浪费网络资源。 启动完成后，节点会记住它最近成功连接的对等点； 因此，在重新启动时，它可以快速重新建立与先前对等网络的连接。 如果前一个网络的对等节点没有响应连接请求，该节点可以使用种子节点重新启动。

用户可以通过提供-connect=选项指定一个或多个IP地址，从而达到覆盖自动节点管理功能和指定IP地址列表的目的。 如果采用此选项，节点只会连接到这些选定的节点 IP 地址，而不是自动发现和维护对等节点之间的连接。

如果已建立的连接没有数据通信，则其所在的节点将周期性地发送信息以维持连接。 如果一个节点在没有任何通信的情况下持续连接 90 分钟，则认为它已与网络断开连接，并且网络开始寻找新的对等点。 因此，比特币网络会根据不断变化的节点和网络问题随时进行动态调整，无需中心化控制即可进行规模增减的有机调整。

至此，p2p网络基本形成，可以发现和维护自己的节点。 详情请参考源码实现。