比特币原理及其代码实践8-比特币网络

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引言

​ 我们所构建的原型已经具备了区块链所有的关键特性：匿名，安全，随机生成的地址（公私钥加密）；区块链数据存储（key-value存储）；工作量证明系统（pow）；可靠地存储交易（MerkleTree）。

​ 尽管这些特性都不可或缺，但是仍有不足。能够使得这些特性真正发光发热，使得加密货币成为可能的，是网络（network）

​ 你可以将这些区块链特性认为是规则（rule），类似于人类在一起生活，繁衍生息建立的规则，一种社会安排。区块链网络就是一个程序社区，里面的每个程序都遵循同样的规则，正是由于遵循着同一个规则，才使得网络能够长存。类似的，当人们都有着同样的想法，就能够将拳头攥在一起构建一个更好的生活。如果有人遵循着不同的规则，那么他们就将生活在一个分裂的社区（州，公社，等等）中。同样的，如果有区块链节点遵循不同的规则，那么也会形成一个分裂的网络。

区块链网络

​ 区块链网络是去中心化的，这意味着没有服务器，客户端也不需要依赖服务器来获取或处理数据。在区块链网络中，有的是节点，每个节点是网络的一个完全（full-fledged）成员。节点就是一切：它既是一个客户端，也是一个服务器。这一点需要牢记于心，因为这与传统的网页应用非常不同。

​ 区块链网络是一个 P2P（Peer-to-Peer，端到端）的网络，即节点直接连接到其他节点。它的拓扑是扁平的，因为在节点的世界中没有层级之分。下面是它的示意图：

节点角色

尽管节点具有完备成熟的属性，但是它们也可以在网络中扮演不同角色。比如：

  1. 矿工：这样的节点运行于强大或专用的硬件（比如 ASIC）之上，它们唯一的目标是，尽可能快地挖出新块。矿工是区块链中唯一可能会用到工作量证明的角色，因为挖矿实际上意味着解决 PoW 难题。在权益证明 PoS 的区块链中，没有挖矿。
  2. 全节点：这些节点验证矿工挖出来的块的有效性，并对交易进行确认。为此，他们必须拥有区块链的完整拷贝。同时，全节点执行路由操作，帮助其他节点发现彼此。对于网络来说，非常重要的一段就是要有足够多的全节点。因为正是这些节点执行了决策功能：他们决定了一个块或一笔交易的有效性。
  3. SPV：SPV 表示 Simplified Payment Verification，简单支付验证。这些节点并不存储整个区块链副本，但是仍然能够对交易进行验证（不过不是验证全部交易，而是一个交易子集，比如，发送到某个指定地址的交易）。一个 SPV 节点依赖一个全节点来获取数据，可能有多个 SPV 节点连接到一个全节点。SPV 使得钱包应用成为可能：一个人不需要下载整个区块链，但是仍能够验证他的交易。

比特币节点的通信流程

  1. 获取到当前比特币网络中网络状况正常的节点列表（获取种子节点列表）。

  2. 运行比特币的协议栈，与比特币网络中的其他节点通信。

1.获得比特币其他节点

使用“DNS种子”（DNS seeds）

比特币源码的chainparams.cpp文件中，一共包含了6个DNS域名，可以用于新节点加入比特币网络时获取种子节点列表。

seed.bitcoin.sipa.be
dnsseed.bluematt.me
dnsseed.bitcoin.dashjr.org
seed.bitcoinstats.com
seed.bitcoin.jonasschnelli.ch
seed.btc.petertodd.org 
dig seed.bitcoinstats.com

seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 172.104.154.196 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 89.116.26.27 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 146.4.124.134 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 77.174.251.3 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 93.216.157.252 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 94.19.7.55 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 50.38.34.178 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 178.14.78.87 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 62.168.65.42 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 93.198.213.253 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 190.2.152.245 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 95.216.3.111 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 193.232.158.22 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 188.165.211.112 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 128.199.55.88 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 207.180.251.119 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 134.209.84.163 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 188.120.255.115 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 45.227.253.238 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 62.210.110.208 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 95.216.226.214 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 202.172.102.5 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 185.78.209.40 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 92.100.48.186 seed.bitcoinstats.com. 3591 IN A 92.58.171.140

DNS种子提供比特币节点的IP地址列表，Bitcoin Core客户端提供五种不同的DNS种子，通常默认使用即可。

手动指定节点

手动通过-seednode命令指定一个比特币节点的IP地址作为比特币种子节点。

2.与比特币节点进行初始“握手”，建立连接

P2P Network — Bitcoin

握手的发起者会向目标节点发起TCP连接，默认为8333端口（部分节点不使用8333端口），连接建立成功后，双方需要根据比特币协议的规定，完成握手的过程，主要是确认双方版本、IP地址、端口等信息。

version请求

​ 节点1为握手的发起者，希望与节点B进行握手，首先向2节点发送一个version消息（含有自己的协议版本等），节点2收到节点1的version消息后，会对数据包进行验证，若验证无误，则会向1回应自己的version消息，否则，节点2将忽略掉节点1的消息。节点2在回应了自己的version消息之后，会再回应一个version ack的消息。节点A在收到2节点的version ack消息后，向节点2回应一个version ack，握手过程即正常结束。

3.获取节点周围缓存节点

在完成握手后，通过向对方节点发送getaddr消息，即可获取其周围活跃节点。

getaddr请求

addr：返回节点个数和节点列表

4.下载区块链头

getblocks 请求

在version请求中，我们可以知道自己的区块高度和对方的区块高度，如果我们的区块链高度小，则需要请求区块头数据。

5.同步区块链数据，并验证

节点下载完区块头后，会开始下载区块。

Inv-type=block 请求

比特币区块链中的每个区块都包含了一系列交易记录和一些元数据，例如区块的哈希值、时间戳、难度目标、交易数量等信息。

节点会从其他节点中请求缺失的区块数据，直到下载完整个区块链。

6.处理交易

Inv-type=transaction 请求

  1. 如果交易是自己节点产生的，自己先把交易缓存到mempool中，并转发给所有已知的节点。
  2. 如果节点收到了其他节点的交易，验证交易，并放到自己的mempool，并转发给其他节点。

7.挖矿

如果这个节点是矿工节点，当mempool大于某个值时，执行挖矿操作，并清空所有的mempool。

广播自己的新区块到其他所有节点。

其他节点会验证区块，并判断这个区块是不是最长的链上，如果不是最长链节点会拒绝这个区块。

比特币分叉

​ 比特币网络正常运行依赖于节点按一致的规则检验和收录区块，这种情况下即便偶尔同时有多个相同高度的正确的区块产生，分支博弈也会导致全网迅速归集到同一链上。

​ 但当涉及规则改变时，即网络中存在遵守不同的规则的旧节点和新节点时，就会存在区块链分叉且不能迅速回归同一链的可能，按具体情况又分为硬分叉和软分叉：

软分叉

​ 比特币软分叉（Soft Fork）是指对比特币协议进行一项改进，该改进是向后兼容的，也就是说，旧版本的比特币节点可以继续运行，而无需升级。在软分叉中，升级后的节点能够处理新规则的交易，但旧版本的节点会将这些交易视为有效。

​ 软分叉通常是为了改进比特币协议而进行的，以提高其安全性、可扩展性和其他方面的性能。软分叉通常需要比特币网络中大部分的矿工和节点支持，以确保网络的顺畅升级。如果不支持软分叉，那么这些节点和矿工将被视为“分叉”，从而分离出去，并与其他支持该软分叉的节点和矿工形成两个独立的网络。

​ 总之，软分叉是比特币协议的一种改进方法，它可以通过向后兼容的方式升级，而无需强制用户升级其软件。

硬分叉

​ 比特币硬分叉（Hard Fork）是指对比特币协议进行一项改进，该改进不向后兼容，也就是说，旧版本的比特币节点无法处理新规则的交易，因此必须升级节点软件。在硬分叉中，新版本的比特币节点和旧版本的比特币节点无法互相通信。

​ 硬分叉通常是为了解决协议中存在的不兼容性问题而进行的。硬分叉可能会导致比特币网络分裂成两个独立的网络，其中一个网络遵循旧规则，另一个网络遵循新规则。在这种情况下，两个网络都可以独立运作，但可能会导致比特币的价值和市场流动性受到影响。

同时挖出区块会导致分叉吗？

​ 会，但是短暂的。

​ 比特币网络会选择最长的分支作为有效的区块链。矿工和节点会比较两个分支的长度，选择最长的分支，然后在其上继续进行工作。这意味着在区块链的另一个分支上工作的矿工会停止工作，并加入最长的分支。这个过程通常被称为“链的重组”。

​ 这是因为矿工的工作量越大，他们获得的收益也就越高，因此他们更有动力在最长的分支上继续工作，而不是在较短的分支上浪费资源。因此，分叉通常是短暂的，并很快被解决。

​ 所以这并不会影响比特币网络的稳定性。

大部分内容来自：

https://github.com/Jeiwan/blockchain_go