比特币网络架构及节点发现分析

一、P2P网络架构

比特币采用了基于互联网的点对点（P2P：peer-to-peer）分布式网络架构。

比特币网络可以认为是按照比特币P2P协议运行的一系列节点的集合。

本文来分析下比特币网络，了解它跟传统中心化网络的区别，以及比特币网络是如何发现相邻节点的。

二、节点类型及分工

尽管比特币P2P网络中的各个节点相互对等，但是根据所提供的功能不同，各节点可能具有不同的分工。每个比特币节点都是路由、区块链数据库、挖矿、钱包服务的功能集合。一个全节点（full node）包括下图所示的四个功能：

下图为一个包含四个完整功能的比特币网络节点：钱包、矿工、完整区块链、网络路由节点。每个节点都参与全网络的路由功能，同时也可能包含其他功能。每个节点都参与验证并传播交易及区块信息，发现并维持与对等节点的连接。名为“网络路由节点”的橙色圆圈即表示该路由功能。

一些节点保有一份完整的、最新的区块链拷贝，这样的节点被称为“全节点”。全节点能够独立自主地校验所有交易，而不需借由任何外部参照。

另外还有一些节点只保留了区块链的一部分，它们通过一种名为“简易支付验证（SPV）”的方式来完成交易验证。这样的节点被称为“SPV节点”，又叫“轻量级节点”。

三、对等节点发现

为了能够加入到比特币网络，比特币客户端会做一下几件事情：

a、节点会记住它最近成功连接的网络节点，当重新启动后它可以迅速与先前的对等节点网络重新建立连接。

b、节点会在失去已有连接时尝试发现新节点。

c、当建立一个或多个连接后，节点将一条包含自身IP地址消息发送给其相邻节点。相邻节点再将此消息依次转发给它们各自的相邻节点，从而保证节点信息被多个节点所接收、保证连接更稳定。

d、新接入的节点可以向它的相邻节点发送获取地址getaddr消息，要求它们返回其已知对等节点的IP地址列表。节点可以找到需连接到的对等节点。

e、在节点启动时，可以给节点指定一个正活跃节点IP, 如果没有，客户端也维持一个列表，列出了那些长期稳定运行的节点。这样的节点也被称为种子节点（其实和BT下载的种子文件道理是一样的），就可以通过种子节点来快速发现网络中的其他节点。

1、比特币的核心部分维护一个在启动时可以连接的对等节点列表。当一个完整的节点第一次启动时，它必须被自举(bootstrapped)到网络。这个过程如今在比特币的核心部分通过一个短名单上的DNS种子自动执行。选项-dnsseed可以被用来定义这种行为，默认的设置是1。DNS请求返回一个可连接的IP地址列表。比特币客户端从那里可以连接到整个比特币网络。

2、自举的另外一种方法是使用参数-seednode=<ip>。通过这个参数，用户可以预先定义连接到哪个服务器，并在建立对等节点列表之后断开连接。另外一个方法是在启动比特币核心时配置-connect=<ip>参数来选择连接到哪些对等节点（未被配置的IP将不会被连接）。添加对等节点的最后一种方法是通过参数-addnode=<ip>添加一个单独的节点到对等节点列表中。

自举过程完成后，节点向其对等节点发送一个包含其自身IP地址的addr消息。其对等的每个节点向它们自己的对等节点转发这个信息，以便进一步扩大连接池。

通过getpeerinfo命令可以查看某个节点所连接的对等节点及相关的数据。

3、连接到对等节点

节点通过发送version消息连接到一个对等节点。消息version 包含了节点的版本信息、块信息和距离远程节点的时间。一旦这个消息被对等节点收到，它必须回复一个verack。如果它愿意建立对等关系，它将发送自己的version消息。

一旦建立对等关系，节点可以向远程节点发送getaddr和addr消息来获得其它的对等节点信息。为了维持与对等节点的连接，节点默认情况下每30分钟内会给对等节点至少发送一次信息。如果超过90分钟没有收到回复，节点会认为连接已经断开。

4、块广播

在与对等节点建立连接后，双方互发包含最新块哈希值的getblocks消息。如果某个节点坚信其拥有最新的块信息或者有更长的链，它将发送一个inv消息，其中包含至多500个最新块的哈希值，以此来表明它的链更长。收到的节点使用getdata来请求块的详细信息，而远程的节点通过命令block来发送这些信息。在500个块的信息被处理完之后，节点可以通过getblocks请求更多的块信息。这些块在被接收节点认证之后得到确认。

新块的确认也可通过矿工挖到并发布的块来发现。其扩散过程和上述类似。通过之前的连接，新块以inv消息发布出去，而接收节点可以通过getdata请求这些块的详细信息。

5、交易的广播

和对等节点的交易通过inv消息来实现。如果收到了getdata信息，那么交易通过发送tx实现。对等节点收到有效的交易的信息后会通过类似的方式将其扩散。如果交易的信息在一段时间内没有被放进块中，那么交易将被从内存池中清除，而原节点将重新发送交易信息。

6、行为不端的节点

对于所有的广播，那些行为不端的节点（占用带宽和通过发布错误信息来浪费计算资源）将收到惩罚。如果一个节点惩罚分数超过门限值-banscore=<n>，它将被禁止加入网络若干秒。这个时间由参数-bantime=<n>定义，默认值是86400秒，即24小时。

7、警告

为了应对可能出现的bug和攻击，比特币开发者提供了比特币警告服务RSS。比特币用户通过命令getinfo可以查看针对其特定客户端版本的错误信息。

这些信息通过allert消息尽可能多扩散出去给每一个连接的对等节点。

错误信息采用特定的ECDSA私有密钥签名，只被极少数的开发者控制。

补充资源：如果你想了解各种消息的详细结构和所有的消息类别，可以参考比特币Wiki上的协议说明。

四、通过dns seeds获取节点列表数据

1、dns seed是什么

返回比特币网络上完整节点IP地址的DNS服务器，用于协助发现节点。

2、哪里可以查看到

我们在bitcoin源码中，搜索关键词“seed.bitcoin.sipa.be”，目前最新的代码位置在chainparams.cpp中。

3、怎么得到节点列表

这里需要用到一个开源项目，项目地址

https://github.com/sipa/bitcoin-seeder

下面开始进行具体操作。

我们用的dns是seed.bitcoin.sipa.be

xiaoyu@xiaoyu-Parallels-Virtual-Platform:~/bitcoin-seeder$ dig -t NS testnet-seed.bitcoin.jonasschnelli.ch

再次查看项目文件夹，发现多了两个文件

dnsseed.dat

dnsseed.dump

查看dnsseed.dump文件，这样就得到了节点列表。

4、总结

dns seed数据是硬编码到项目中，这也就解决了分布式系统的关于鸡生蛋还是蛋生鸡的问题。

五、节点通信简述

比特币节点通常采用TCP协议、使用8333端口与相邻节点建立连接, 建立连接时也会有认证“握手”的通信过程，用来确定协议版本，软件版本，节点IP，区块高度等。

当节点连接到相邻节点后，接着就开始跟相邻节点同步区块链数据（轻量级钱包应用其实不会同步所有区块数据），节点们会交换一个getblocks消息，它包含本地区块链最顶端的哈希值。如果某个节点识别出它接收到的哈希值并不属于顶端区块，而是属于一个非顶端区块的旧区块，就说其自身的本地区块链比其他节点的区块链更长，并告诉其他节点需要补充区块，其他节点发送getdata消息来请求区块，验证后更新到本地区块链中。

参考文章：

http://blog.csdn.net/diandianxiyu_geek/article/details/78747618?ref=myread

http://8btc.com/article-1762-1.html

https://www.cnblogs.com/tinyxiong/p/7800198.html