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以太坊源码 (01):P2P网络及节点发现机制

HPB小秘书发表于:2018年01月02日 10:52:13更新于:2018年01月03日 10:14:12

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Dlt

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

d.      找出K桶中Dlt大于Dkt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。


下一篇,我会介绍《以太坊源码(02):交易收发机制》。


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