区块链——p2p网络模型-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了区块链——p2p网络模型。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1 P2P 网络模型概述

通常情况下，一个区块链系统的P2P网络层主要由以下几部分组成。

1.1 覆盖网络的结构（网络拓扑构建）

覆盖网络可以根据其对应覆盖图的性质分为两类:无结构化覆盖网络和结构化覆盖网络。无结构化覆盖网络通常基于随机图来建立节点随机从覆盖网络中选取节点作为邻居;而结构化覆盖网络则是基于预先定义好的结构(如环、超立方等)，每一个节点都要有唯一标识，且只能和那些标识满足预先定义条件的节点连接。随着技术的发展，一些覆盖网络同时包含了结构化和非结构化的特性，且在一些应用环境中表现出更好的性能。

1.2 覆盖网络的路由算法

路由算法和覆盖网络的结构通常是紧密结合在一起的。随机图的结构，对应的往往是广播式的路由泛洪。而结构化则往往对应其他的路由算法，类似于K分查找树的查找过程。

1.3 节点的加入、初始化路由表、路由更新和容错算法

p2P系统是动态的，节点不断地加入和退出。当一个新节点加入时，它要运行节点加入算法，以获得网络上其他节点的信息，同时要初始化它的邻居表(路由表)，这样其他节点知道他加入后，要调整自己的邻居表(路由更新)，以使得新节点加入后，依然保持网络结构。如果某些节点下线有可能通知，也可能没有通知其他节点，那么网络中的相关节点能检测出来节点掉线，自动调整邻居表，使网络结构依然保持，这就是容错算法所要做的事情了。注意，这些算法都是独立运行在每个节点上的，它们是通过节点间的协作通信而工作的。

2.网络模型分类

2.1无结构化覆盖网络

介绍：无结构化覆盖网络是最简单的P2P网络形式，节点随机连接，没有固定的网络拓扑结构。这种网络结构简单，易于实现，但随着网络规模的增大，搜索效率较低，容易出现网络拥堵。

典型区块链应用：比特币的早期网络可以看作是一种无结构化覆盖网络。在比特币网络中，节点通过广播的方式与其他节点交换信息（如交易和区块数据），而不是依靠固定的网络结构。在比特币网络中，一个新节点加入网络后会随机尝试连接到现有的节点。一旦连接成功，它就会将自己的信息广播给这些节点，这些节点再将信息转发给它们连接的其他节点，如此形成信息的传播。当一个节点需要广播交易或新产生的区块时，也会采用这种方式，但这可能导致网络中的信息传播效率不一。

2.2结构化覆盖网络

介绍：结构化覆盖网络通过使用一致性哈希等算法，将节点和资源按照某种规则组织起来，形成有结构的网络拓扑。这种网络可以高效地进行数据的定位和搜索。

典型区块链应用：以太坊使用了Kademlia算法（一种DHT，分布式哈希表协议）作为其节点发现协议的一部分。这使得以太坊网络在维护节点的连接信息时更加高效和可扩展。在以太坊的Kademlia算法中，每个节点都有一个唯一的标识符（ID）。当一个节点尝试找到另一个节点或资源时，它会根据ID的距离（通过某种哈希算法计算得出）来选择与自己ID最接近的其他节点进行查询，直到找到目标节点或资源。这种方式显著提高了搜索的效率和精确度。

Kademlia算法在此不过多讲述。

2.3分层式 P2P 网络模型

分层式 P2P 网络模型：在区块链中，分层式网络可以帮助解决扩展性和性能问题。较高层的节点可以处理复杂的任务，例如交易验证和共识达成，而较低层的节点可以处理数据存储和传输等任务。这种模型可以帮助提高交易处理速度并减少网络拥塞。

常见分层：

按地理位置分层：根据节点的地理位置将它们分配到不同的层级。这种方法可以提高数据传输效率，因为邻近的节点通常具有更好的连接和更低的延迟。每个地理区域可以有自己的领导者节点，负责在该区域内协调和广播交易。
按节点性能分层：根据节点的计算能力、网络带宽和其他资源将它们分类。性能更好的节点被分配到较高层，负责处理更复杂的任务。这种方法可以确保关键任务由具有足够资源的节点处理，从而提高网络的整体性能。
按功能分层：根据节点的专门功能或服务将它们组织成不同的层级。例如，某些节点可能专注于智能合约的执行，而其他节点可能专门负责数据存储或身份验证。这种分层方式可以促进任务的专业化处理，提高网络的效率。
混合分层：上述分层方式可以结合使用，形成混合分层模型。例如，可以同时根据地理位置和节点性能进行分层，或结合功能分层和共识机制分层。混合分层可以利用多种因素的优势，创建一个更灵活、更适合区块链网络特定需求的架构。

“网”或“簇”状分层

按一定规则 “分成簇”或“网”的方法也是分层式 P2P 网络模型中的一种常见策略。在这种方法中，节点被分成多个集群或网，每个集群选出一个领导者节点。这些领导者节点之间建立连接，形成一个覆盖网络。交易和数据在这些领导者节点之间广播和验证，然后再传播到各自的集群中。这种方法可以进一步提高网络效率，因为它减少了数据传输的跳数并优化了广播过程。

分层管理：在分层式P2P网络中，不同层次的节点承担不同的职责。顶层节点通常负责处理交易验证、共识机制和网络决策等核心任务。这些节点往往需要更强的计算能力和更高的安全性。底层节点则主要负责数据的传输和存储，这些任务对计算资源的要求相对较低，但对网络的广度和覆盖范围有较高要求。
簇内通信：在每个簇内部，可以通过选举或随机选择一个或多个领导者节点来协调簇内的数据同步和交易验证。这种方法可以减轻每个节点的负担，提高簇内数据处理的效率。
跨簇协作：各簇的领导者节点之间会形成一个更高层次的网络，用于协调各簇之间的交易验证和数据同步。这种结构可以有效地减少网络中的信息冗余，优化数据流动路径，从而加快交易确认速度。
可扩展性：通过将节点组织成多层结构和簇，网络可以灵活地扩展，以适应不断增长的用户和交易量。新的节点可以根据需要加入特定的层或簇，而不会显著影响网络的整体性能。
容错能力：在分层和分簇的网络中，即使某些节点或簇发生故障，其他簇还可以继续正常运作。领导者节点的故障可以通过快速重新选举来解决，保证网络的稳定性和连续性。
优化资源分配：不同节点根据其能力和地理位置承担不同的任务，这种资源分配策略可以最大化利用现有的网络资源，避免资源浪费。

“网”或“簇”状分层设计

整体视图：
- 将整个网络视为由多个簇（Cluster）构成，每个簇包含若干节点。这些簇通过一种高层网络结构相互连接。
簇内结构：
- 每个簇内部有多个节点，这些节点可以是相似的，或者有特定的功能分配。例如，一些节点专门负责数据存储，而其他节点负责处理交易和执行智能合约。
- 在簇内部选举或指定一个或多个领导节点（Leader Node）。这些领导节点负责簇内的数据同步、交易验证等核心任务。
高层网络（网）：
- 各簇的领导节点彼此连接，形成一个高层网络。这个高层网络负责协调各簇之间的交互，例如跨簇交易的验证和数据的一致性保证。
- 高层网络也可能包括一些专门的服务节点，例如跨链服务节点，这些节点负责处理与外部区块链或系统的交互。
连接和通信：文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-859342.html
- 簇内节点通过快速、局部的网络进行通信。
- 簇与簇之间的通信则通过领导节点在高层网络中进行，这种设计可以减少网络拥塞和提高数据传输效率。