背景

在做區塊鏈項目時，大多落地金融機構，網絡開通比較麻煩。現有區塊鏈底層平臺組成聯盟鏈要求鏈上組織機構網絡都需要打通，這里相對底層網絡進行一些優化，初步想法是通過一些路由節點或是超級節點進行路由，也就是P2P網絡中混合式架構。這里調研常見的區塊鏈網絡架構。

比特幣網絡架構

擴展比特幣網絡（extended bitcoin network）：指代所有包含比特幣P2P協議、礦池挖礦協議、Stratum協議以及其他連接比特幣系統組件相關協議的整體網絡結構。

比特幣節點

節點具有錢包、挖礦、路由、完整區塊鏈數據庫功能

節點分類

全節點：這個全指的是擁有完整的區塊鏈副本，全節點可以不借助其他節點就可以完成校驗交易

輕量節點：只保留一部分區塊鏈交易（與自己相關的區塊鏈），采用“簡易支付驗證（SPV）”的方式來完成交易驗證，以及網絡路由

比特幣網絡核心客戶端：錢包、礦工、完整區塊鏈數據庫、網絡路由

獨立礦工節點：具有完整區塊鏈數據，獨立挖礦，網絡路由

礦池服務器，一般礦池協議采用stratum協議

區塊傳播機制

1、節點A收到一個block，對其進行驗證，驗證通過后，會將其廣播給其連接的節點；

2、節點A向其連接的節點發送inv的消息，inv消息包含節點A驗證過的區塊的相關信息；

3、節點B收到inv消息，如果之前沒有接收過這個區塊，則向節點A發送一個getdata消息，要求得到交易記錄，以及區塊的具體信息；節點A只有在收到getdata消息后，才會把區塊block的具體信息發送給節點B。

當礦工挖到新區塊后，區塊按上述方法傳播到全網中。新區塊并不是同時向所有節點廣播，而只能向其附近的、建立連接的節點進行廣播。比特幣網絡中，每個節點與至少其他P個節點保持連接，如果連接數低于P，那么節點就會從它已知的地址中隨機選擇地址并試圖與其建立連接。如果連接的數量超過P，后續來自于其他節點的連接請求一般也并不會被拒絕。目前比特幣網絡中，平均每個節點有32個開放的連接，比特幣協議中默認P=8。

新產生的區塊必須要使得其被至少50%節點認證并接受。也就是其他節點對新區塊進行哈希的過程，對隨機數nounce的確可以使得哈希函數小于目標哈希，只有當新區塊加入父區塊且在此基礎上繼續產生6個區塊后，才認為該新區塊是在主鏈上的。

關于區塊分叉問題在之前文章中分析過，因為涉及到交易最終是否被確認，區塊是否能上主鏈，在這里再簡單講一下。兩個節點可能同時挖到區塊，例如一個節點挖到區塊X，同時另一個節點挖到區塊Y，并進行全網廣播。此時如果節點A先收到區塊X并且驗證成功，節點A將基于區塊X，尋找下一個新的區塊。而先收到區塊Y的節點B，在驗證區塊Y也是正確的區塊后，將會基于區塊Y上面尋找下一個新區塊。這時區塊鏈上出現了一個“分叉”，即出現了兩條鏈：一條是X，另一條是Y。

出現兩條鏈后，這時就看兩條鏈挖到下一區塊的速度。如果節點A比節點B更快找到下一個新區塊Z，由于節點A是基于區塊X上尋找新區塊的，因此，原來的兩條鏈分別變成X+Z和Y，這時由于X+Z這條鏈比Y鏈更長，那些原來在Y基礎上挖礦的礦工們，就會放棄Y，并轉而在X+Z這條鏈上繼續挖礦，因此X+Z這條鏈就成為“主鏈”，而區塊Y則成為“孤塊”。

盡管有礦工挖到了區塊Y，但是由于區塊Y是孤塊，并沒有被加入到主鏈中去，因此，盡管挖到區塊Y的曠工得到了比特幣獎勵，但是該比特幣獎勵是"unspendable“的狀態，無法使用，也就意味著不會獲得比特幣獎勵，其包含的所有交易記錄也不會被確認，將返回到交易池中“待確認”。而挖到區塊X的礦工，得到了比特幣獎勵，經過六個區塊的驗證后，被確認在主鏈上了，也就意味著將獲得比特幣獎勵，這時其包含的所有交易記錄也將會得到確認，并從交易池Pool中刪去。

傳播速度

從前面區塊傳播的機制可以發現，某節點挖到新區塊后，其發現新區塊的時間、以及向外面傳播該新區塊的速度，影響該新區塊最終是否能加入主鏈。

根據相關統計研究，2015年，當時全世界的節點大概為6000個，因此，當一個新挖出的區塊被至少3000個節點（50%的節點）接受時，該區塊就有較大的可能性加入主鏈。區塊的傳播速度與區塊的大小有著明顯的關系。例如，要傳播至3k個節點，一個700Kb+的區塊大約要花15秒，而一個200-300Kb的區塊則只需要6秒。對于一個8MB大小的區塊來說，要傳播至網絡中3k各節點，需要花100多秒。當礦工新挖出一個區塊，當要傳播至3k個節點，每個礦工平均花費10秒左右。

一般這個傳播速度遠小于挖出新區塊的速度，一般挖到一個新區塊時間為十分鐘左右。

以太坊網絡架構

比特幣主網的P2P網絡是無結構的，而以太坊使用P2P網絡是有結構的,采用分布式哈希表(DHT)技術，可以實現在分布式環境下快速而又準確地路由、定位數據的問題。以太坊通過Kademlia（簡稱Kad）算法來實現。

Kad 網絡

網絡節點有一個nodeID,會映射到一個二叉前綴樹，

映射規則：

將 nodeID 以二進制形式表示，然后從高到低對每一位的 0 或 1 依次處理；
二進制的第 n 位對應二叉樹的第 n 層；
如果該位是 0，進入左子樹，是 1 則進入右子樹（反過來也可）；
全部位都處理完后，這個 nodeID, 就對應了二叉樹上的某個葉子節點。

利用異或來計算節點之間的邏輯距離，在這種二叉樹結構下，對每個節點來說，離它越近的節點異或距離也是越近的。接著，可以按照離自己異或距離的遠近，對整顆二叉樹進行拆分。

拆分規則

從根節點開始，將不包括自己的那顆子樹拆分出來，然后在包含自己的子樹中，把不包括自己的下一層子樹再拆分出來，以此類推，直到只剩下自己。以上圖的 110 節點為例，可將其拆分成如圖陰影所示的除 110 節點之外的三顆子樹。

K-Buket

完成子樹拆分后，只要知道每個子樹里面的其中一個節點，就可以進行遞歸路由實現整顆二叉樹所有節點的遍歷。但在實際場景下，由于節點是動態變化的，所以一般不會只知道每個子樹的一個節點，而是需要知道多個節點。因此，Kad 中有一個叫 K-桶(K-bucket)的概念，每個桶會記錄每顆子樹里所知道的多個節點。

其實，一個子樹對應一個K-桶也就是就是一張路由表，如果拆分出來有 m 顆子樹，那對應節點就需要維護 m 個路由表，所有的K-bucket組合一起就是網絡的完整路由表。每個節點都會各自維護自己的 m 個 K-桶，每個 K-桶里記錄的節點信息一般會包括 NodeID、IP、Endpoint、與 Target 節點（即維護該 K-桶的節點）的異或距離等信息。

以太坊中的K值是16，也就是說每個K桶包含16個節點，nodeID為256位，所以一共有256個k桶。K桶中記錄了節點的NodeId，distance，endpoint，ip等信息，按照與target節點的距離進行排序。也就是每個節點維護256個K桶，也就是256個子路由表，也就是256個劃分的子樹，所有的k桶合起來也就是一個節點的路由表。

還是以nodeID為110的節點為例，共有3個k桶，如下圖：

節點路由維護

在以太坊的 Kad 網絡中，節點之間的通信是基于 UDP ，有4 個主要的通信協議，用于K-Bucket刷新，新節點加入等操作：

• Ping：用于探測一個節點是否在線
• Pong：用于響應 Ping 命令
• FindNode：用于查找與 Target 節點異或距離最近的其他節點
• Neighbours：用于響應 FindNode 命令，會返回一或多個節點

fabric網絡架構

不同于上面兩種公鏈的P2P網絡架構，fabric主要用于聯盟鏈，要求同一channel內節點要互通。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的区块链底层网络调研的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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