March 24, 2020

重新创造比特币13:P2P网络

作者：何岩，由 recreating.org发行。

0.前言 #

中本聪在生命体上找到了Bitcoin演进的灵感，下一步是将技术落地。

生命体演进的顺序是从单细胞到多细胞，之后才出现器官，最后才是大脑。
换句话说，生命可以没有大脑，没有器官，但不能没有生殖细胞。

中本聪开始着手设计事关Bitcoin生存的基础（漩涡模型的内环），即，点对点的记账网络。

点对点，英文是：peer-to-peer ，缩写为：P2P。

Bitcoin的定义从此可以变为：一个点对点电子现金系统。

当然，未来Bitcoin的定义还会发生变化，也许是：一个点对点的通用计算机、一个点对点的超级智能体、或者世界之根：元网（Metanet）。

anyway，有点扯远了，我们回到脚下，开始记账网络的落地。

1.从2个节点开始 #

中本聪：“现在运行着的Bitcoin服务端，就可以看成是一个单节点。”

Gilfoyle：“可以把它看成是一个单细胞生命体吗？”

中本聪：“不能，它和单细胞生命有着本质的区别。因为，单细胞是生活在同类之间形成的群系统中的，例如之前我们讨论过的费氏孤菌。而当前的Bitcoin是一个世界上孤零零的一个单细胞，在自然界中孤独的单细胞是无法生存下去的。我们的Bitcoin之所以可以生存至今，是因为有我们在维护着它，给他供电，换一种说法，它的生存不可持续。所以，它还不算是一个自治系统。而我们现在要做的事，就是将它升级成一个自治的群系统，这样它就可以靠着自己存活下去，甚至自我演化下去。”

中本聪：“我们先从最简单的场景开始，加入一个新节点，让Bitcoin系统发生质变，成为拥有2个节点的极简群系统。”

Gilfoyle：“我们需要一个新的服务器，正好我家里有台多余的主机，我这就去抱过来”

中本聪：“太棒啦！我还在愁这个月没有闲钱买新主机呢！”
过了一会，Gilfoyle将一个老旧的主机放到了咖啡桌上，现在他们拥有了两台服务器啦。

直接装载之前Bitcoin的服务端代码，是没有效果的，因为两台主机会认为自己是世界上唯一的Bitcoin系统，互相老死不相往来。

中本聪：“首先，我们要让这两个节点连接上，彼此感知到对方的存在。”

Gilfoyle：“然后，还要让他俩实现通信，让账本文件在这两个节点之间，保持同步一致。”

中本聪：“对，问题还会很多，我们先走一步看一步。”

2.节点的连接 #

Gilfoyle：“两个Bitcoin节点，如何能够像两个神经元细胞一样产生连接呢？”

大脑神经元连接

两个神经元细胞组成的网络

我们先来看看神经元细胞之间如何建立连接。

每个神经元细胞，同时具有树突（接收端）和轴突（传送端）。

树突的作用是接受其它神经元发出的信号。

轴突的作用是将自己产生的信号发送出去。（见下图）

神经元细胞

一个神经元细胞向外伸展着它的触手，它的树突会触摸到其它神经元细胞的轴突，俩者会通过一种神奇的方式互相抓住对方，一个连接就此产生。同时它的轴突也向外伸展，连接上其它神经元细胞的树突。

神经细胞在传输信号

信号可以通过轴突与树突之间的连接进行自由传递。

中本聪说：“我们可以用TCP/IP网络协议来实现同样的能力"。

IP可以类比神经元细胞的位置坐标。

Socket Server类比神经元的轴突，即消息发送端。

Socket Client类比神经元的树突，即消息接受端。

一个节点需要具有独立的IP，还要最少创建一个Socket Server和一个Socket Client。

Socket Client可以主动去连接某个IP地址对应的Socket Server，就好像神经细胞的树突连接到了另一个神经细胞的轴突。

1个Socket Server可以被多个Socket Client连接，就好像一个轴突可以被多个树突连接。

Socket Client与Socket Server连接成功，信息通道就会产生，消息可以在两个节点之间双向传输。这就好像两个神经元细胞一旦连接上了，就会一直手拉着手保持下去。

中本聪根据上面的思路，改好了代码，并将其部署在了两台服务器上，一个最简单的P2P网络就此诞生啦！（见下图）

2个节点组成的P2P网络

中本聪将两个节点的IP写死到了代码里，这样节点一启动，就会根据IP主动连接上彼此。

当然，将IP写死在代码里很不优雅，后续再改进吧，现在节点不多，先这么运行着。

2个节点形成的网络也许看着没有感觉，我们来3个节点是什么效果（见下图）

3个节点组成的P2P网络

中本聪：“未来随着Bitcoin节点数量的增加，点对点网络的复杂度会呈指数级增长”

Gilfoyle：“这正是群系统和传统精确系统的本质不同”

3.客户端由web模式改为P2P模式 #

服务端改成了点对点的网络模式，客户端也需要改成点对点的网络模式。
因为之前的web架构模式存在单点问题，单点就在那个网址：bitcoin.org。(见下图)

web架构下节点2永不会被访问到

用户打开浏览器，输入网址：bitcoin.org，浏览器跳转到公网上访问公共的DNS服务器，DNS服务器中配置了bitcoin.org对应的服务器IP，这是在之前中本聪买域名的时候配置好的。因为DNS的网只能映射到唯一的IP地址，所以永远都会是节点1被访问。如果杀死了节点1，Bitcoin就死掉了。

所以说，群系统不可以存在单点环节。只要存在单点，系统就可以通过破坏单点导致系统死亡。

中本聪：“判断一个系统是否为一个群系统，就看系统中是否存在单点”

中本聪：“传统架构模式下集群系统，虽然自称为分布式系统，但其实是不彻底的分布式，因为传统架构中总会有一个类似负载均衡或者服务发现的节点，来负责分配访问的路径”（见下图）

传统的分布式架构

为了去掉单点，Bitcoin的客户端也要改造成点对点的模式，即放弃使用浏览器，客户端也需要是一个节点，客户端节点直接连接记账网络的节点。由于客户端节点不需要储存全部账本，所以称其为：轻节点，又因为轻节点需要依靠自身的轻量级存储实现独立的交易简单校验（简单校验需要用到Merkle Tree的概念，后续章节会讨论），所以英文叫做：Simplified Payment Verification，简称SPV。

客户端由浏览器变成了轻节点，这意味着用户需要在自己的设备上，安装一个独立应用。这就意味着，Bitcoin的代码工程要一分为二，分别是记账节点和轻节点。

中本聪搞定了轻节点的编码，并将其编译成应用安装文件，最后将其上传到网站，提供给用户下载安装。

轻节点的代码中也同样写死了记账节点的IP，作为临时方案。轻节点启动后通过这些IP，连接到记账节点，这样整体网络架构变成了下面这样（见下图）

整体的点对点网络架构

这时候，如果杀死任何记账节点，只要还剩一个记账节点存活，系统就还会正常为客户提供服务。

当然，现在这个系统还不能正常使用。两个节点虽然连接上了，但在记录交易的时候各自为政，会导致账本不一致。很容易出现这样的情况：用户访问节点1时候发现自己的余额是100，访问节点2的时候余额就变成90了，用户会很困惑。

如何实现节点之间的账本同步一致呢？这是中本聪和Gilfoyle要面对的下一个问题。

另外，轻节点之间也会在未来演化成点对点的连接，轻节点的功能也会发展出转账之外的逻辑，正是由于轻节点拥有自身算法的可变异空间，Bitcoin才可能自我演化成为一个超级智能体，这就好像生命的演化基于个体的基因变异。（见下图）

轻节点与轻节点的点对点网络

如果将群系统比喻成漩涡，内环转动外环涌现。那么未来承载外环涌现的主角必然是轻节点网络。当然，这个太超前了，我们现在只需要关注Bitcoin的生存：记账网络的构建。

4.后记 #

在下一本书中将讨论：轻节点SPV之间的P2P网络，即Alice和Bob之间可以点对点的转账，不用通过记账网络作为中介

本篇完，下一篇将会讨论，记账节点间交易如何同步一致。

下一篇：重新创造比特币14:交易的同步

重新创造比特币13:P2P网络

0.前言 #

1.从2个节点开始 #

2.节点的连接 #

3.客户端由web模式改为P2P模式 #

4.后记 #

相关链接 #

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Recreating Bitcoin 14:Synchronizing Transactions