区块链的点对点网络 青岛点对点区块链科技有限公司

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区块链应用什么技术来实现此功能

区块链应用了以下的技术来实现

第一种是共识机制，常用的共识机制主要有PoW、PoS、DPoS、PBFT、PAXOS等。由于区块链系统中没有一个中心，因此需要有一个预设的规则来指导各方节点在数据处理上达成一致，所有的数据交互都要按照严格的规则和共识进行；

第二种是密码学技术，密码学技术是区块链的核心技术之一，目前的区块链应用中采用了很多现代密码学的经典算法，主要包括：哈希算法、对称加密、非对称加密、数字签名等。

第三种是分布式存储，区块链是一种点对点网络上的分布式账本，每个参与的节点都将独立完整地存储写入区块数据信息。分布式存储区别于传统中心化存储的优势主要体现在两个方面：每个节点上备份数据信息，避免了由于单点故障导致的数据丢失；每个节点上的数据都独立存储，有效规避了恶意篡改历史数据。

智能合约：智能合约允许在没有第三方的情况下进行可信交易，只要一方达成了协议预先设定的目标，合约将会自动执行交易，这些交易可追踪且不可逆转。具有透明可信、自动执行、强制履约的优点。区块链技术有许多独特的特点，使它成为一项独特的发明，并赋予它无限的视野去探索。

区块链中点对点分布式技术是指什么？

1. 点对点分布式技术（P2P）: 点对点技术（peer-to-peer区块链的点对点网络， 简称P2P）又称对等互联网络技术，它依赖网络中参与者区块链的点对点网络的计算能力和带宽，而不是把依赖都聚集在较少的几台服务器上。P2P 技术优势很明显。点对点网络分布特性通过在多节点上复制数据，也增加区块链的点对点网络了防故障的可靠性，并且在纯P2P网络中，节点不需要依靠一个中心索引服务器来发现数据。在后一种情况下，系统也不会出现单点崩溃。

2. 非对称加密技术：非对称加密（公钥加密）指在加密和解密两个过程中使用不同密钥。在这种加密技术中，每位用户都拥有一对钥匙：公钥和私钥。在加密过程中使用公钥，在解密过程中使用私钥。公钥是可以向全网公开的，而私钥需要用户自己保存。这样就解决了对称加密中密钥需要分享所带来的安全隐患。非对称加密与对称加密相比，其安全性更好：对称加密的通信双方使用相同的秘钥，如果一方的秘钥遭泄露，那么整个通信就会被破解。而非对称加密使用一对秘钥，一个用来加密，一个用来解密，而且公钥是公开的，秘钥是自己保存的，不需要像对称加密那样在通信之前要先同步秘钥。

3. 哈希算法：哈希算法又叫散列算法，是将任意长度的二进制值映射为较短的固定长度的二进制值，这个小的二进制值称为哈希值。它的原理其实很简单，就是把一段交易信息转换成一个固定长度的字符串。

4. 共识机制：由于加密货币多数采用去中心化的区块链设计，节点是各处分散且平行的，所以必须设计一套制度，来维护系统的运作顺序与公平性，统一区块链的版本，并奖励提供资源维护区块链的使用者，以及惩罚恶意的危害者。这样的制度，必须依赖某种方式来证明，是由谁取得了一个区块链的打包权（或称记帐权），并且可以获取打包这一个区块的奖励；又或者是谁意图进行危害，就会获得一定的惩罚，这就是共识机制。通俗一点来讲，如果中国一名微博大V、美国一名虚拟币玩家、一名非洲留学生和一名欧洲旅行者互不相识，但区块链的点对点网络他们都一致认为你是个好人，那么基本上就可以断定你这人还不坏。

区块链核心技术-P2P网络

点对点网络是区块链中核心的技术之一，主要关注的方面是为区块链提供一个稳定的网络结构，用于广播未被打包的交易（交易池中的交易）以及共识过的区块，部分共识算法也需要点对点的网络支撑（如PBFT），另外一个辅助功能，如以太坊的消息网络，也需要点对点网络的支持。

P2P网络分为结构化和非结构化网络两类。结构化网络采用类似DHT算法来构建网络结构；非结构化网络是一种扁平的网络，每个节点都有一些邻居节点的地址。

点对点网络的主要职责有维护网络结构和发送信息这两个方面。网络结构要关注的是新节点的加入和网络更新这两个方面，而发送信息包括广播和单播两个方面

如何建立并维护点对点的整个网络？节点如何加入、退出？

网络结构的建立有两个核心的参数，一个是每个节点向外连接的节点数，第二个是最大转发数。

新节点对于整个网络一无所知，要么通过一个中心的服务获取网络中的一些节点去连接，要么去连接网络中的“种子”节点。

网络更新处理当有新节点加入或者节点退出，甚至原来一些节点网络不好，无法连接，过一段时间又活了，等等这些情况。一般通过节点已有的连接来广播这些路由表的变化。需要注意的是，因为点对点网络的特殊性，每个节点的路由表是不一样的（也叫partial view）

广播一般采用泛洪协议，即收到转发方式，使的消息在网络中扩散，一般要采用一些限制条件，比如一条消息要设置最大的转发数，避免网络的过渡负载。

单播需要结构化网络结构支持，一般是DHT，类似于DNS解析的方式，逐跳寻找目标节点地址，之后进行传输，并且更新本地路由表。

要想快速检索信息，有两种数据结构可以使用，一种是树类型，如AVL树、红黑树、B树等；另外一类是hash表。

哈希表的效率比树更高，但是需要占用更多的内存。

信息的表示采用键值对的方式，即一个键对应一个值，我们要查找的是key，值是附着的信息。

哈希表要解决的问题是如何均匀地为每一个key分配一个存储位置。

这里面有两个重点：1.是为key分配一个存储地点，这个分配算法是固定的，保证存储的时候和查找的时候使用同一个算法，不然存进去之后会找不到；2.是均匀地分配，不能有点地方存放数据多，有点放存放数据少。

一般语言里面的hashtable、map等结构使用这个技术来实现，哈希函数可以直接使用取模函数，key%n，这种方式，n代表有多少个地方，key是整数，如果key是其他类型，需要先进行一次哈希，将key转为整数。这种方式可以解决上面的两个需求，但是当n不够大的时候（小于要存储的数据），会产生冲突，一个地方一定会有两个key要存储，这时候，需要在这个地方放一个链表，将分配到同一地点、不同key，顺序摆放。当一个地点放的key太多后，链表的查找速度太慢，要转化为树类型结构（红黑树或者AVL树）。

上面说过，哈希表效率很高，但是占用内容，使用多台机器就可以解决这个限制。在分布式环境中，可以将上述的地点理解为计算机（后面成为节点），即如何将一个key映射到一个节点上，每个节点有一个节点ID，即key-node id的映射，这个映射算法也要固定。

这个算法还有一个非常重要的要求，即scalebility,当新节点加入和退出时候，需要迁移的key要尽量少。

这个映射算法有两种典型结构，一个是环形，一个是树形；环形的叫一致性哈希算法，树形的典型叫kademlia算法。

选点算法就是解决key-node id的映射算法，形象的来说就是为一个key选择它生命中的她（节点）。

假设我们使用32哈希，那么总共能容纳的key的数据量是2**32，称之为hash空间，把节点的ID映射成整数，key也映射成整数。把key哈希和节点哈希值接的差值的叫做距离（负数的话要取模，不用绝对值），比如一个key的哈希是100（整数表示），一个节点的哈希是105，则这两个的距离是105-100=5。当然使用其他距离表示也可以，比如反过来减，但是算法要固定。我们把key映射（放到）距离他最近的节点上。距离取模的话，看起来就是把节点和key放到一个环上，key归属到从顺时针角度离它最近的节点上。

kademlia算法的距离采用的是key哈希与节点哈希异或计算之后的数值来表示（整数），从左往右，拥有越多的“相同前缀”，则距离越近，越在左边位置不一样，距离越远。

树结构的体现是，将节点和key看成树的节点，这个算法支持的位数是160bit，即20个8字节，树的高度为160，每个边表示一位。

选点的算法和一致性哈希相同，从所有节点中，选择一个距离key距离最小的节点作为这个key的归宿。

由于是在分布式环境中，为了保证高可用，我们假设没有一个中心的路由表，没有这个可以看到全貌的路由表，带来了一些挑战，比如如何发现节点、查找节点？

在P2P网络中，常用的方法是每个节点维护一个部分路由表，即只包含部分节点的路由信息。在泛洪算法中，这些节点上随机的；在DHT算法中，这个路由表是有结构的，维护的节点也是有选择性的。那么如何合理的选择需要维护路由信息的节点呢？

一个朴素的做法是，每一个节点保存比他大的节点的信息，这样可以组成一个环，但是这样做的话，有一个大问题和一个小问题。大问题是，每个节点知道的信息太少(只有下一个节点的哈希和地址)，当给出一个key时，它不知道网络中还有没有比它距离这个key距离还短的节点，所以它首先判断key是否属于自己和下一个节点,如果是，那么这个key就属于下一个节点，如果不是就调用下一个节点同样的方法，这个复杂度是N(节点数)。一个优化的方法是，每个节点i维护的其他节点有：i+2 1, i+2 2,....i+2**31,通过观察这个数据，发现由近到远，节点越来越稀疏。这样可以把复杂度降低到lgN

每个节点保存的其他节点的信息，包括，从左到右，每一位上与本节点不同的节点，最多选择k个（算法的超参数）。比如在节点00110上（为演示起见，选择5位），在要保存的节点路由信息是：

1****: xxx,....,xxx(k个)

01 : xxx,....,xxx(k个)

000 : xxx,....,xxx(k个)

0010 : xxx,....,xxx(k个)

00111: xxx,....,xxx(k个)

以上为一行称为k-bucket。形象的来看，也是距离自己越近，节点越密集，越远，节点越稀疏。这个路由查找、节点查找的算法也是lgN复杂度。

揭开区块链的神秘面纱(一)

什么是区块链

区块链本质上是一个分布式账本技术。如果以数学函数来类比的话，我们可以将分布式网络、共识机制、去中心化、加密算法、智能合约、权限许可、价值和资产等要素理解为函数中的变量或因子。这些变量和因子的有机组合形成了区块链有别于传统技术的一些新的技术特征。

举个例子：

太平洋上有一个与世隔绝的海岛，名叫桃花岛。在桃花岛上，每个家庭拥有一定规模的资产，这些资产以粮食、蔬菜、日用品、房地产等形式存在。岛上的物质交换只在岛内居民之间进行。所有的交易都由这个岛上唯一能写会算的人——岛主黄老邪记录。每一天随着岛内交易的进行，交易信息都在不断增长，黄老邪将所有的交易信息都记录在一本账本中，并由自己来保管。

但是，由黄老邪一人记账的模式出现了诸多问题，随着岛上居民的交易行为日益频繁，每天要记的账目越来越多，黄老邪的记账压力也越来越大。为了缓解自己的工作压力，黄老邪将记账技能传授给岛上的所有居民，使他们都参与到记账过程中来。黄老邪要求居民将交易金额及交易时间等信息都记录下来，并且每一笔交易记录经交易双方签字后方可生效。黄老邪还为岛上每一个家庭分配了各自独立的信箱，只有该家庭的成员才能使用钥匙打开自家的信箱，查看信箱中储存的账目信息。有了信箱以后，岛上的记账模式发生了翻天覆地的变化：当新的交易记录产生时，交易人将一页记载了新的交易信息的记录放入每家每户的信箱中。这些交易信息按照放入信箱的先后顺序形成了一个天然的账本，每一户居民都可以打开信箱进行查看。

在这种情况下，即使有个别人将信箱中的信息进行篡改，整体的交易记录依旧不会出现偏差。居民只要拿出每个人那里保存的账本，根据多数原则确定统一的交易历史，并纠正个别人手中错误的账本页目，就可以在无需岛主黄老邪监管的情况下完成记账。经过黄老邪改变后的分布式记账方式与我们下文所要阐述的区块链有异曲同工之妙。

黄老邪改变记账模式后，岛上的居民都可以参与到记账环节中，每个居民之间都可以发生交易并自行进行记账，而不再需要黄老邪作为交易中心来监管完成，这与区块链点对点的特性很相似。

区块链的动态点对点网络见图：

区块链是一个分布式账本

区块链的分布式账本结构见图：

在桃花岛上，由黄老邪一人记账的时期，整座岛上只有一本账本来对所有的信息进行记录。改变记账模式后，岛上的每一户人家都拥有一本账本，这就相当于区块链这个分布式的公共账本。

区块链推翻了传统的记账模式。与传统记账模式不同，区块链中的交易信息不再由单个机构来记录，而是由其中的每一个节点共同参与记账。在这个分布式网络上，每个节点都有账本的完整备份。如果有人想篡改账本上的记录，他必须改动各节点存储的账本备份，这就使篡改账本记录的行为难以实现。

这就是区块链实现分布式账本的基本原理。

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