05-BTC-网络

声明：本文是要点笔记，介绍和系列笔记均收录在专题：区块链技术与应用

比特币工作在应用层（application layer：Bitcoin block chain），它的底层是一个网络层（network layer：P2P overlay network）。

比特币的 P2P 网络是非常简单的，所有节点都是对等的。不像有的 P2P 网络有所谓的超级节点、主节点。

要加入 P2P 网络首先得知道至少有一个种子节点，然后你要跟种子节点联系，它会告诉你，它所知道的网络中的其他节点，节点之间是通过 TCP 通信的，这样有利于穿透防火墙。当你要离开时不需要做任何操作，不用通知其他节点，退出应用程序就行了。别的节点没有监听到你的信息，过一段时间之后就会把你删掉。

比特币网络的设计原则是：简单、鲁棒，而不是高效（simple，robust，but no efficient）。每个节点维护一个零度节点的集合，消息传播在网络中采取 flooding 的方式。节点第一次听到某个消息的时候，把它传播给其他节点的所有零度节点，同时记录一下这个消息我已经收到过了。下次再收到这个消息的时候，就不用转发给零度节点了。

零度节点的选取是随机的，没有考虑底层的拓扑结构。比如一个在加利福尼亚的节点，它选的零度节点可能是在阿根廷的。这样设计的好处是增强鲁棒性，它没有考虑底层的拓扑结构，但是牺牲的是效率，你向身边的人转账和向美国的人转账速度是差不多的。

比特币系统中，每个节点要维护一个等待上链的交易的集合。假如一个集合的交易都是等待写入区块链里的，那么第一次监听到某个交易的时候，把这个交易加入这个集合，并且转发这个交易给节点，以后再收到这个交易就不用转发了，这样避免交易会在网络上无限地传播下去。转发的前提是该交易是合法的。

这里有冲突的情况，有可能你会有两个有冲突的交易，差不多同时被广播到网络上。比如说 A→B 和 A→C，这两个如果同时广播在网络上，那么每个节点根据在网络中的位置的不同，收到两个交易的先后顺序不同。

比如一个人先收到第一个交易，就写入到集合里，再收到第二个交易的时候就不会写入集合，因为跟上一个交易有冲突，就认定是非法的。假设这两个交易花的是同一个币，那么写入集合的交易就会被删掉。

比如说节点监听到一个新发布的区块，里面包含了 A→B 的交易，那么这个交易就可以删掉了，因为已经写入到了区块链里。如果节点又听到了 A→C 的交易，该怎么办？这时候也要把 A→B 删掉。因为 A→C 如果已经被写入到了区块里，那么 A→B 就变成了非法交易，就变成了双花（double spending），这就是冲突的情况。可能某个先收到 A→C 的节点，抢先挖到了矿，发布了区块。

新发布的区块在网络上的传播有很多方式，跟新发布的交易是类似的。每个节点除了要检查区块的内容合法性之外，还要查它是不是在最长合法链里。越是大的区块，在网络上传播速度越慢。

比特币协议对区块的大小有 1M 字节的限制。比特币系统采用的传播方式是非常耗费带宽的，带宽是瓶颈。按 1M 的区块大小限制来算的话，一个新发布的区块有可能需要几十秒，才能传输到网络大部分的地方，这已经是挺长时间了，所以这个限制值不算小。

还需要注意的一点：我们讲的比特币网络的传播属于 best effort 。一个交易发布到比特币网络上，不一定所以的节点都能收到，而且不同的节点收到这个交易的顺序也不一定是一样的。网络传播存在延迟，而且这个延迟有的时候可能会很长，有的节点也不一定按照比特币协议的要求进行转发。

可能有的该转发而不转发，导致某些合法的交易收不到，也有的节点可能转发一些不该转发发的消息，比如说有些不合法的交易也被转发了。这就是我们面临的一个实际问题。