以太坊P2P模块节点发现算法剖析

核心数据结构：

NodeTable类负责以太坊的节点发现，NodeTable采用kademlia（KAD）算法进行节点发现

• NodeTable维护一个网络节点列表，此列表为当前可用节点，供上层使用
• 由于NodeID经过sha3生成出的Hash为256位。列表有256-1=255项，其中-1是因为刨除了当前节点（本机）
• 列表的每一项位一个节点桶（NodeBucket）,每个桶中最多放16个节点
• 列表的第i项代表据当前节点（本机）距离为i+1的网络节点集合

---

节点探索算法：

其中节点间距离定义如下：

• 节点NodeID(512位)会先用sha3算法生成一个256位hash。算两个节点的256位hash的XOR值，节点距离定义为此XOR值的1位最高位的位数。（例如：0010 0000 1000 0101 位XOR值的化 那么这两个节点的距离为14）
• 此处的NodeID为网络节点公钥（512位）
• 注意：这里的节点距离与机器的物理距离无关，这个距离仅仅是逻辑上的一种约定

---

发现算法思路如下：

• 1.先随机一个目标节点的NodeID
• 2.在列表中以相对NodeID的“距离”为指标，由近及远查找此待连节点“附近”的节点。并将这些节点放入“附近”节点集合
• 3.向目标节点的“附近”节点集合中的每个节点发送FindNode消息
• 4.若在目标节点的”附近”没有搜到节点，则返回步骤1
• 5.否则等待600ms后跳转到步骤2

---

节点的状态：

• Pending：
  
  • 挂起状态，每个新发现的节点或通过代码添加的节点的初始状态
  • 在新增节点时会向此节点发送Ping消息，已查看是否在线
• Alive：此状态说明Pong消息已收到，此节点在线。
• Evicted：由于对当前节点某个距离的桶最多只允许存在16个节点，若在此距离发现的新节点正好超过了限额，则新节点保留，桶中最老的节点会被唤出，进入此状态

---

如何冷启动：

由于初始化时节点列表为空，所以不可能找到目标节点的所谓附近节点。这就需要一些初始种子节点进行连接。在eth客户端启动时会添加5个种子节点，这些节点的NodeID、ip、端口被硬编码在Host.pocHosts函数中。

---

节点发现协议：

• 协议：
  
  • FindNode：节点查询协议，向目标节点询问其临近节点列表
  • Neighbours：响应FindNode消息，当某节点接到其它节点发来的FindNode消息时，会回送Neighbours消息，其中携带了此节点的附近节点
  • PingNode：用来查看节点是否存活。对于缺失NodeID的节点，也可用来询问其NodeID
  • Pong：对PingNode消息的响应
• 协议交互：
  
  
  • 在上面的算法描述中，当前节点会向随机选定的节点的附近节点集合中每个节点发送FindNode消息，表示希望查这些节点的附近节点
  • 这些节点在接收到FindNode消息会需要向发送节点回送Neighbours消息，并在此消息内含有所在节点的附近节点集合
  • 当前节点在收到回送的Neighbours消息后，会将Neighbours中所携带的节点加入到自己的网络节点列表中，并对这些携带节点发送Ping消息
  • 等到Pong的消息到达，证明此节点存活，并加入到节点列表中