区块链P2P网络协议演进过程

区块链P2P网络协议演进过程

摘要：笔者想详细阐述和分析区块链P2P网络协议的演进过程。 区块链技术的网络层通信协议是点对点的结构。 基于此，作者构建了区块链网络层。 以其独特的去中心化、点对点的特点，可以摆脱中央服务器在网络层的限制和束缚。 现阶段主流的区块链技术包括比特币、以太坊和超级账本三种。 笔者以这三种类型为对象，分析了区块链技术应用的优缺点，并对区块链P2P网络协议进行了概述。 为进一步改进提供参考。

关键词：区块链； P2P网络协议； 比特币

1 简介

P2P网络的优点是：去中心化，可以实现基于所有节点的区块链资源和服务的均衡分布，并利用共识机制为区块链的一致性提供保障； 可扩展性，区块链节点可以自由增加和减少，实现网络系统的扩展； 鲁棒性，在没有中心节点的情况下，区块链的攻击目标不明确，即使部分节点被破坏，区块链的安全性也不会受到太大影响，可以加强区块链与P2P网络的相互融合。

2 区块链 P2P 网络类型

2.1 集中式 P2P 网络

中心化P2P网络非常依赖中心服务器，以接入节点地址数据为网络核心。 在区块链技术环境中，普通网络节点连接到中央服务器，掌握节点地址，方便节点通信。 Napster作为全球知名的MP3共享软件，采用的网络结构是集中式P2P网络。 通过这个网络，音乐文件和保存的文件相互连接。 用户在搜索某个文件时可以查到节点存储位置。 实现点对点连接，获取MP3文件的共享。 中央服务器的应用可以对网络的稳定性产生决定性的影响。 如果中心服务器出现问题，P2P网络将瘫痪，P2P网络中心将为用户提供索引和节点通信。

2.2 全分布式、非结构化的P2P网络

在这种网络结构下，P2P网络节点具有更大的自由度，对中心节点没有限制，相同的结构标准以随机图的形式提供网络服务。 在这个网络结构中，Gnutella 协议比较有名。 该协议是一个点对点的搜索系统。 通过洪泛技术发现并转发节点，并利用TTL衰减有效控制发送次数。 但同时，过于自由的网络机制会使新的P2P网络信息难以被新的网络节点掌握，影响节点接入网络。 同时会影响网络结构的稳定性，无故消耗大量资源，造成网络拥塞。

2.3 完全分布式和结构化的 P2P 网络

在这种结构的应用中，节点地址管理是一个比较严重的问题。 在节点之间没有规则和限制的情况下，很难准确定位节点信息，需要查找，造成网络消耗。 全分布式、结构化的P2P网络使用哈希表和加密哈希函数对节点地址数据进行标准化。 这种方法没有固定的网络结构，但需要根据固定的结构图进行网络节点管理。 为此，以太坊采用节点椭圆加密转换，实现节点区分，准确定位节点地址。

2.4 半分布式P2P网络

网络结构兼有集中式和分布式结构的优点。 划分网络节点，创建半分布式网络结构。 网络节点的地址由超级节点维护，以保证中央服务器的功能得以凸显。 超级节点是分布式节点，可以自由进出网络。 一个代表性的应用是 Kazza。 半分布式结构将节点分为普通节点和超级节点。 超级节点的确定可以基于普通节点以太坊全节点，也可以独立配置[1]。

3 区块链P2P网络协议演进

3.1 比特币和 P2P 网络

为了满足节点网络接入的需要，一种是种子节点。 种子节点是具有长期稳定性的网络节点。 写入代码，初始激活种子节点，向网络节点提供节点地址。 这样就保证了新节点与其他节点的相互连接，并得到依赖地址列表。 二是地址广播。 该技术的应用是利用某个网络节点作为中介和桥梁，通过该节点获取其他节点的地址。 该技术的具体应用包括主动广播和主动采集两种方式。 三是建立地址库。 该技术的应用是为了避免种子节点连接站点和带宽限制，将节点地址信息保存在地址广播中，形成数据库。 如果两个已建立连接的节点在一段时间内没有数据通信，则一个节点向另一个节点发送信息，收到信息的节点回复响应消息以保持连接。

3.2 以太坊和 P2P 网络

以太坊的P2P网络是基于比特币的P2P网络结构。 它的交易系统与比特币非常相似。 强调打造基于区块链的生态环境，拓展以太坊及其分布式应用。 . 以太坊搭建了分布式信息通信平台和存储平台，以网络节点为基础，实现对其他节点地址的精确定位，并通过DTH技术保证网络的结构。 利用哈希算法对数据进行哈希处理，形成哈希数据表，为网络各节点的维护提供数据支持。 哈希表分布在网络节点上，任何一个网络节点都有其唯一的IP信息，可以找到其他节点并被其他节点定位。 以太坊通过DHT机制进行维护，但维护机制过于复杂，机制难以适应网络节点的高频变化。 此外，以太坊使用 Kad 协议快速查找和准确定位网络节点地址。

3.3 超级账本和P2P网络

随着比特币和以太坊的快速发展，区块链技术也得到了迅速的扩展，从网络代币交易系统到企业问题解决方案，包括物流系统等，可以调整去中心化，实现精准追踪，防止信息被篡改和。 Hyperledger 可以提供企业级的区块链服务。 在这种P2P网络结构中，网络节点拥有不同的权限，交易需要通过超级节点进行处理。 超级账本没有实现去中心化，但节点的划分可以提高网络效率[2]。

4 比较分析

比较分析不同的P2P网络结构，明确其优缺点，充分考虑网络应用的实际需求。 将常见的区块链技术应用于网络令牌系统。 考虑到对P2P网络结构的直观对比分析，从网络结构层面进行分析。 具体对比分析项目包括中心化程度、节点连接网络访问效率等。

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首先，比较分权程度。 比特币代币系统的出现和成功增加了区块链去中心化性质的可见性。 比特币和以太坊都具有完全去中心化的优势，这不等同于传统中央金融机构的完全中心化。 区块链P2P网络节点具有相同的权限，无论种子节点还是普通节点，都具有一定的网络架构和高度去中心化。 超级节点的功能与去中心化服务器相同，采用分布式集群。 其去中心化程度低于比特币等代币，但高于银行系统。

第二，节点的网络访问效率。 效率越高，服务水平越高。 接入网络时，需要指定节点连接到区块链网络，并实现区块账本信息的同步。 在银行中心系统全中心化环境下，节点接入效率最高。 但是，比特币和以太坊需要实现所有区块的同步，才能进行共识挖矿。 考虑到比特币的网络节点可以直接广播节点地址，比以太坊有更高的节点发现效率。

最后，隐私保护水平。 基础隐私保护是保护身份标识以太坊全节点，高级要素保护是不保存用户登录和使用信息。 区块链技术的去中心化特性需要隐私保护。 节点IP信息是物理地理信息的集合，可以代表用户身份信息。 当多个用户使用同一个物理节点时，可以通过身份信息追踪用户定位和用户行为。 以太坊通过DHT保存IP信息以防止攻击，其账户不包含身份信息，而比特币通过泛洪广播，难以定位特定网络节点。 同时保护节点地址信息，账户匿名，保护用户隐私[3]。

5 结论

在区块链P2P网络结构中，网络节点对全网开放，可以通过任意节点进行去中心化的比特币交易，但也给新的网络节点入网带来困难。 针对这一问题，比特币、以太坊、超级账本各自提出了相应的解决方案，持续推动着区块链P2P网络的演进和发展。 技术应用的去中心化程度将进一步加深，网络接入效率和隐私保护水平将进一步提高。 将进一步完善。