January 17, 2020

重新创造比特币17:网络的弹性

作者：何岩，由 recreating.org发行。

0.前言 #

在上一篇中，引出了区块链和区块奖励的技术概念。

本篇将讨论节点的连接机制，让Bitcoin的网络更具弹性。

1.问题所在 #

咖啡馆，中本聪和Gilfoyle按照之前的设计，部署了最新代码。

区块奖励机制，即UTXO之后，又一个皇冠级别的天才设计。

它巧妙的让Bitcoin系统同时实现了，节点记账的激励机制，和货币的铸造发行机制。

中本聪说：“有了区块奖励，记账网络将会吸引更多的陌生节点加入，可按照现在的设计，节点之间的连接会形成星状网络”（见下图）

星状网络

中本聪继续说：“星状网络不是我想要的网络形态，星状网络太脆弱。我想要网状结构。”（见下图）

网状网络

中本聪说：“形成星状网络的原因，是我们将IP写死在代码里的临时方案导致的，新节点只会去连接那3个老节点。这样的网络很脆弱。因为，那3个节点等于在承载着整个网络的消息中转站，网络负载会过高，一旦那3个节点死了，整个系统就会瘫痪。”

Gilfoyle问：“那如何能让网络形成网状结构呢，总不可能每加入一个新节点，就在代码里加一个IP，那种做法太不符合群系统的特质了。代码的IP列表将会成为系统中的单点。也就是说，系统将依赖维护代码IP列表的那个人。”

中本聪说：“那个方案指定不行，我们现在要想出一个新的解决方案，理想的场景是，不需要人工干涉，节点可以自动的互相连接，形成网状网络。并且当网络遭到部分破坏之后，还可以自我修复。”

Gilfoyle说：“这看起来，Bitcoin网络就像是一个拥有了智能的生命体了，可以自己生长，可以自我恢复。”

中本聪说：“对对，就是生命体的感觉，让整个网络看上去像活着一样，拥有顽强的生命力。”

点对点的网络，像一个活物一样。听起来太奇妙了，中本聪之前只是幻想着，没想到今天自己就要着手设计出一个可运行的“活系统”了。

“模型建立自己的模型，这到底是虔诚还是亵渎？”－－凯文凯利《失控》

2.生命力 #

与其说，中本聪在创造一个生命系统，不如说，中本聪在寻找生命力的本质。

生命力不是被创造之物，生命力才是主角，造物不过是生命力表达自我的外衣。而人类的角色正是连接生命力和造物的管道。

中本聪此时此刻就是一个管道。一头连着系统的躯壳，一头在寻找着系统的灵魂。

生命力的本质究竟是什么呢？如何才能碰触存在本身？

生命力即即兴

生命力即即兴，即兴即自由，自由即随机。

即兴就是微观视角下的随机选择。

地球是宇宙的即兴，生命是地球的即兴，人类是生命的即兴。

上帝的本质是概率之神。

生命源自偶然，一种可持续的偶然。

偶然即局部的概率不均。

小概率与大概率形成了一种拉扯力，就像水桶中的冰与水形成的拉扯力，地球就是宇宙中的冰，熵减正是依赖于这种拉扯力。

同时要记住，这种拉扯力也是一种偶然。

正是因为拉扯力的存在，即兴的随机行为才有了方向感。

拉扯力和随机性就像即兴的感性和理性，缺一不可。

没有拉扯力生命就不成形状。没有随机性生命就会变得固浊。

拉扯力是收，随机性是放，一收一放形成节奏，节奏导致演化。

生命被这种拉扯力接生到了世间，一旦生下来，孩子就不再需要接生婆了。
生命一旦开启，熵减就不再停止，生命好似成为了一个以自己尾巴为食的贪吃蛇。

“狂野的生命就像衔尾蛇，它吐出不断变得粗大的尾巴，蛇嘴随之不断扩大，再生出更大的尾巴，把这种怪异图景溢满宇宙。”－凯文.凯利《失控》

一个人如何活出生命力？

答案是成为他自己。

成为他自己，不是说朝着某一个目标去活。

而是说，他在每一个当下都有随机选择的自由，这种随心而动的自由才是活力之源。

这种随心而动的行为模式，我们称其为，即兴。

3.如何让系统成为TA自己 #

中本聪说：“我要将即兴的灵魂注入到系统之中！”

Gilfoyle问：“什么意思？”

中本聪说：“抽象上来说，让一个系统拥有即兴特质的方式是，注入少量的简单原则，然后放任自流：out of control”

中本聪继续解释：“精髓之处就在于底层原则一定要少且简单，因为只有少且简单，系统在微观层面才有随机变异的空间，

同时由于原则的逻辑边界的拉扯，随机的行为不至于太不靠谱。

这样系统运行起来，整体上就会朝着一个方向自我演化。”

Gilfoyle说：“也就是说，想要设计一个群系统，对于设计者来说，可以做的事其实很少，就是设计底层原则那一下子，那一下子对了，系统就活了，不对，后面再怎么努力也没用。好似治大国如烹小鲜。”

中本聪说：“对，就是这个感觉，真正的剑客对抗，一招定生死。”

Gilfoyle问：“那么，记账网络的底层原则是什么呢？”

中本聪说：“我思考了好久，得出了两条底层原则：随机连接和信息共享。
也就是说，只要将这两条原则注入系统，记账网络就能呈现出网状结构，同时会拥有自我修复的弹性”

我们把视角切换到节点身上，代码如果注入了这两条原则之后，会有什么样的行为表现呢？

网络发现 #

一个新节点被启动了，我们就叫它：小男孩。

小男孩睁开眼睛，身边漆黑一片，自己仿佛是漂浮在宇宙中的一颗孤独星球。

小男孩的内心出现了一个声音：“寻找同类，建立连接！”

“原来宇宙中存在我的同类，我要找到他们”

小男孩伸出触角，随机的在互联网的黑暗宇宙中摸索，期待着摸到些什么，如果半天没有结果，就伸长触角，继续向远处探索。

小男孩的行为，就是所谓的网络发现。

小男孩的触角就是Client Socket，Client Socket向一个随机IP的Server Socket的8332端口发起网络请求，然后等待回应。

当然大概率小男孩是收不到回应的，因为，要么那个IP根本不存在，要么即便存在，也不属于Bitcoin系统的节点。

一旦发现没有回应，小男孩会继续随机出下一个IP，重复上面的动作。
如此反复，直到遇到Bitcoin系统中的记账节点。

时间一天一天的流失，小男孩已经尝试了10万多次的碰触，正在小男孩准备放弃的时候，一个IP通了！小男孩终于找到同类了！

对方的IP是138.68.248.103，这不是老板Bob的那台节点3嘛。

首次握手 #

小男孩马上发起首次握手的请求（version）：“我叫小男孩，(nickName:小男孩)
我的软件版本是0.0.5，(version：0.0.5)
当前时间是1552978426，（nTime：1552978426）
我的IP是211.13.32.104，（addrMe:211.13.32.104)
从我这里看到你的IP是138.68.248.103，(addrYou:138.68.248.103)
我的区块高度是0，(BestHeight:0)”

然后，就紧张的等待对方的回复。

节点3这时发现了一个陌生IP的请求，从请求中得知，是一个叫小男孩的新节点请求与自己相连。

节点3马上返回了一句（verack）：“同意”。

接着，节点3也向小男孩发起了一条握手请求（version）：
“我的软件版本是0.0.5，(version：0.0.5)
当前时间是1552978426，（nTime：1552978426）
我的IP是138.68.248.103，（addrMe:138.68.248.103)
从我这里看到你的IP是211.13.32.104，(addrYou:211.13.32.104)
我叫节点3，(nickName:节点3)
我的区块高度是211，(BestHeight:221)”

小男孩收到节点3的应答同意连接后，又马上收到节点3的握手请求，小男孩学着节点3也应答了一句（verack）：“同意”

这样一来小男孩就与节点3建立了对等连接，通过节点3，小男孩终于加入了记账网络。（见下图）

对等节点间的首次握手

地址的传播与发现 #

但是，只连接节点3这一个节点还是太脆弱，如果节点3能作为一个介绍人，让我和更多节点相连就好啦。

“我可不想再和同类失去联系。”小男孩自言自语。

小男孩向节点3发出了第二轮的请求（addr)："我的地址是：211.13.32.104，请将我介绍给你的邻居节点吧，让他们来找我连接吧！”

小男孩还是不放心，紧接着又向节点3发出了第三轮的请求（getaddr)：“请共享一下你已经连接的邻居节点的IP地址吧，我自己去主动连接他们。”

节点3接连收到小男孩的两轮请求，有点不耐烦，心想这小子真没安全感。赶紧把邻居的地址发给他，让他骚扰其他邻居节点去吧。

接着，就将收到的小男孩的addr信息，广播给自己的邻居（addr)：“各位，有个新节点来了，你们谁有空就去连接他吧！我把他的地址信息发过来，你们随意啊！”

然后，又将自己的所有相连的邻居节点的地址，共享给小男孩：“我的邻居就这些，地址是：xxx,xxx,xxx，你主动找他们连接吧。"

介绍完，节点3就不管了，小男孩和其他邻居节点之间，会发生随机的连接。网状网络就此形成。

通过这种方式，新节点可以找到新的对等节点并与之连接，如果觉得自己的邻居还不够，就可以重复上面的addr和getaddr的请求，发给其他新节点，来实现更多的新连接。（见下图）

地址的传播与发现

数据的传播 #

当然，节点之间除了共享邻居节点的地址，还会共享区块数据，就是交易的同步和区块的同步，这个之前我们讨论过。

这里要补充一点的是，区块的同步除了同步最新区块，还可以请求从具体的某个区块高度开始同步。

例如最新的区块高度是220，小男孩的区块高度是217，少了3个区块，这时小男孩就可以请求从区块高度为217的地方开始向后同步。（见下图）

节点通过对等节来实现区块同步

网络的弹性 #

现在小男孩的邻居节点一共有3个，分别是节点3、节点4和节点5。

本来小男孩想连接更多的节点，但是发现连接的路径越多，自己的网络压力就越大，所以只能放弃，最后选了3个最喜欢的邻居保持连接。

Bitcoin网络中的节点都是不可靠的，任何节点都可以随时停机，又可以随时启动。

小男孩担心自己的邻居丢失，就每隔一段时间，就通过getaddr和addr来发现新节点，并将新节点的地址缓存记在自己的小本子里，一旦发现有邻居丢失，就马上与新的节点连接。

小男孩如何监听自己的邻居是否丢失呢？原来小男孩有个计时器，如果发现一个邻居一直没有动静，就会每隔30分钟发送一个消息以维持连接。如果邻居在某个连接上超过90分钟都没有通信，小男孩就认为这个邻居丢失了，就会马上寻找新的节点，来替代这个丢失的邻居。

在如此美妙的国度，每个节点都拥有着同样即兴的自由：
想要连接谁？随意！
连接几个邻居？随意！
想要更换邻居？随意！
停机还是启动？随意！

网络看起来就像是一个拥有自我意识的蜂群，时刻自动进行着动态调节，达到了不依赖中央控制的自主伸缩的网络弹性。

Bitcoin系统开始逐渐散发出闪亮的风采。

“当一个节点断开，数据会自动选择别的路径，使整个网络不受影响。而由于不停的有新的节点加入进来，或者一些旧有的节点之间产生了新的连接，网络看起来就像是自我修复了一样。”－凯文凯利《失控》

4.后记 #

Bitcoin系统演化出了新的网络连接机制，记账网络呈现出了简单的智能感。

由于，我们的假设是，节点都是善良的，所以没有节点的检验和惩罚机制。

但是，只要存在作恶获利的空间，作恶就一定会出现。

下一篇我们将会看到节点如何作恶。

另外，本篇中的节点发现机制，除了通过爬虫随机寻找节点之外，还有一些中心化的方式，例如在代码中写死几个DNS种子等比较接地气的方案，由于想保持故事的简洁就没有写。

下一篇：重新创造比特币18:工作量证明（上）