P2P网络

设计目标

FISCO BCOS P2P模块提供高效、通用和安全的网络通信基础功能，支持区块链消息的单播、组播和广播，支持区块链节点状态同步，支持多种协议。

P2P主要功能

  • 区块链节点标识

通过区块链节点标识唯一标识一个区块链节点，在区块链网络上通过区块链节点标识对区块链节点进行寻址

  • 管理网络连接

维持区块链网络上区块链节点间的TCP长连接，自动断开异常连接，自动发起重连

  • 消息收发

在区块链网络的区块链节点间，进行消息的单播、组播或广播

  • 状态同步

在区块链节点间同步状态

区块链节点标识

区块链节点标识由ECC算法的公钥生成，每个区块链节点必须有唯一的ECC密钥对，区块链节点标识在区块链网络中唯一标识一个区块链节点

通常情况下，一个节点要加入区块链网络，至少要准备三个文件：

  • node.key 节点密钥，ECC格式
  • node.crt 节点证书，由CA颁发
  • ca.crt CA证书，CA机构提供

区块链节点除了有唯一区块链节点标识，还能关注Topic，供寻址使用

区块链节点寻址：

  • 区块链节点标识寻址

通过区块链节点标识，在区块链网络中定位唯一的区块链节点

  • Topic寻址

通过Topic，在区块链网络中定位一组关注该Topic的节点

管理网络连接

区块链节点间，会自动发起和维持TCP长连接，在系统故障、网络异常时，主动发起重连

区块链节点间建立连接时，会使用CA证书进行认证

连接建立流程

sequenceDiagram participant 区块链节点A participant 区块链节点B 区块链节点A->>区块链节点A: 加载密钥和证书 区块链节点B->>区块链节点B: 加载密钥和证书 区块链节点A->>区块链节点B: 发起连接 区块链节点B->>区块链节点A: 连接成功 区块链节点B->区块链节点A: 发起SSL握手 区块链节点A->>区块链节点A: 从证书获取公钥，作为节点ID 区块链节点B->>区块链节点B: 从证书获取公钥，作为节点ID 区块链节点B->区块链节点A: 握手成功，建立SSL连接

消息收发

区块链节点间消息支持单播、组播和广播

  • 单播，单个区块链节点向单个区块链节点发送消息，通过区块链节点标识寻址
  • 组播，单个区块链节点向一组区块链节点发送消息，通过Topic寻址
  • 广播，单个区块链节点向所有区块链节点发送消息

单播流程

sequenceDiagram participant 区块链节点A participant 区块链节点B 区块链节点A->>区块链节点A: 根据节点ID，筛选在线节点 区块链节点A->>区块链节点B: 发送消息 区块链节点B->>区块链节点A: 消息回包

组播流程

sequenceDiagram participant 区块链节点A participant 区块链节点B participant 区块链节点C participant 区块链节点D 区块链节点A->>区块链节点A: 根据Topic 1，选择节点B、C 区块链节点A->>区块链节点B: 发送消息 区块链节点A->>区块链节点C: 发送消息 区块链节点B->>区块链节点B: 根据Topic 2，选择节点C、D 区块链节点B->>区块链节点C: 发送消息 区块链节点B->>区块链节点D: 发送消息 区块链节点C->>区块链节点C: 根据Topic 3，选择节点D 区块链节点C->>区块链节点D: 发送消息

广播流程

sequenceDiagram participant 区块链节点A participant 区块链节点B participant 区块链节点C participant 区块链节点D 区块链节点A->>区块链节点A: 遍历所有节点ID 区块链节点A->>区块链节点B: 发送消息 区块链节点A->>区块链节点C: 发送消息 区块链节点A->>区块链节点D: 发送消息 区块链节点B->>区块链节点B: 遍历所有节点ID 区块链节点B->>区块链节点C: 发送消息 区块链节点B->>区块链节点D: 发送消息 区块链节点C->>区块链节点C: 遍历所有节点ID 区块链节点C->>区块链节点D: 发送消息

状态同步

每个节点会维护自身的状态，并将状态的Seq在全网定时广播，与其它节点同步

sequenceDiagram participant 区块链节点A participant 区块链节点B 区块链节点A->区块链节点B: 广播seq 区块链节点A->>区块链节点A: 判断节点B的seq是否变化 区块链节点A->>区块链节点B: seq变化，发起状态查询请求 区块链节点B->>区块链节点A: 返回节点状态 区块链节点A->>区块链节点A: 更新节点B的状态和seq

AMOP 消息转发流程

单播时序图

sequenceDiagram participant sdk [Subscriber] participant 节点0 participant 节点1 participant sdk [Publisher] sdk [Subscriber]->>节点0: 订阅 topic1、类型：0x32 节点0->>节点0: 更新 topic 列表 节点1->>节点0: 请求 topic 列表 节点0—>>节点1: 响应 topic 列表 sdk [Publisher]->>节点1: 往 topic1 单播消息、类型：0x30 节点1->>节点0: 节点转发消息 节点0->>sdk [Subscriber]: 节点转发消息 sdk [Subscriber]—>>节点0: 回包、类型：0x31 节点0—>>节点1: 节点转发消息 节点1—>>sdk [Publisher]:节点转发消息

注解

  • 单播是指如果有多个 Subscriber 订阅同一个 topic，节点则随机选择一个 Subscriber 推送消息
  • 消息发布者和消息订阅者需要选择同一个 topic
  • Subscriber 接收到消息之后的回包是由 sdk 自动发送，不需要用户自己处理，该回包仅仅表示 Subscriber 成功收到消息
  • 如果 Publisher 在推送消息之前，没有对应的订阅者，那么 Publisher 将会收到错误码 100，表示网络中没有可用节点

多播时序图

sequenceDiagram participant sdk [Subscriber0] participant sdk [Subscriber1] participant 节点0 participant 节点1 participant 节点2 participant sdk [Publisher] sdk [Subscriber0]->>节点0: 订阅 topic1、类型：0x32 节点0->>节点0: 更新 topic 列表 节点1->>节点0: 请求 topic 列表 节点0—>>节点1: 响应 topic 列表 节点2->>节点0: 请求 topic 列表 节点0—>>节点2: 响应 topic 列表 sdk [Subscriber1]->>节点1: 订阅 topic1、类型：0x32 节点1->>节点1: 更新 topic 列表 节点0->>节点1: 请求 topic 列表 节点1—>>节点0: 响应 topic 列表 节点2->>节点1: 请求 topic 列表 节点1—>>节点2: 响应 topic 列表 sdk [Publisher]->>节点2: 往 topic1 多播消息、类型：0x35 节点2->>节点0: 节点转发消息 节点2->>节点1: 节点转发消息 节点2—>>sdk [Publisher]: 回包、类型：0x31 节点0->>sdk [Subscriber0]: 节点转发消息 节点1->>sdk [Subscriber1]: 节点转发消息

注解

  • 多播是指如果有多个 Subscriber 订阅同一个 topic，节点则向所有的 Subscriber 推送消息
  • 只要网络正常，即使没有 Subsciber 接收消息， Publisher 也可以收到节点消息推送成功的响应包

带身份验证的单播时序图

sequenceDiagram participant sdk [Publisher] participant 节点0 participant 节点1 participant 节点2 participant sdk [Subscriber0] participant sdk [Subscriber1] sdk [Publisher]->>节点0: 订阅 hello、类型：0x32 节点1->>节点0: 请求 topic 列表 节点0—>>节点1: 响应 topic 列表 节点2->>节点0: 请求 topic 列表 节点0—>>节点2: 响应 topic 列表 sdk [Subscriber0]->>节点1: 订阅 world（非身份验证）、类型：0x32 节点2 ->> 节点1: 请求 topic 列表 节点1—>>节点2: 响应 topic 列表 节点0->>节点1: 请求 topic 列表 节点1—>>节点0: 响应 topic 列表 sdk [Subscriber1]->>节点2: 订阅 hello、类型：0x32 节点1 ->> 节点2: 请求 topic 列表 节点2—>>节点1: 响应 topic 列表 节点0->>节点2: 请求 topic 列表 节点2—>>节点0: 响应 topic 列表 节点0->>节点0: !$VerifyChannel_!$TopicNeedVerify_hello_{uuid} topic 待验证 节点0->>sdk [Publisher]: 发送 topic 为 !$TopicNeedVerify_hello 的消息，类型：0x37 sdk [Publisher]—>>节点0: 回包，类型：0x31 sdk [Publisher]->>sdk [Publisher]: 生成随机数 sdk [Publisher]->>节点0: 发送 topic 为
!$VerifyChannel_!$TopicNeedVerify_hello_{uuid}
的消息，类型：0x30 节点0->>节点2: 节点转发消息 节点2->>sdk [Subscriber1]: 节点转发消息 sdk [Subscriber1]->>sdk [Subscriber1]: 使用私钥 S 对随机数进行签名 sdk [Subscriber1]—>>节点2: 回包，包中 topic 为 !$VerifyChannel_!$TopicNeedVerify_hello、类型：0x31 节点2—>>节点0: 节点转发消息 节点0—>>sdk [Publisher]: 节点转发消息 sdk [Publisher]->>sdk [Publisher]: 使用公钥 P 验证签名 sdk [Publisher]->>节点0: 更新 topic !$TopicNeedVerify_hello，类型：0x38 节点0->>节点0: 更新状态 sdk [Publisher]->>节点0: 单播、类型：0x30 节点0->>节点2: 节点转发消息 节点2->>sdk [Subscriber1]: 节点转发消息 sdk [Subscriber1]—>>节点2: 回包、类型：0x31 节点2—>>节点0: 节点转发消息 节点0—>>sdk [Publisher]: 节点转发消息

注解

  • 身份验证： Publisher 在推送消息的时候，只给满足身份条件的订阅者推送消息
  • Publisher 拥有公钥 P，同时监听 #!$TopicNeedVerify_hello 和 #!​$PushChannel_#!​$TopicNeedVerify_hello 两个 topic
  • Subscriber1 拥有私钥 S，同时监听 #!$TopicNeedVerify_hello 和#!$VerifyChannel_#!$TopicNeedVerify_hello_{uuid} 两个 topic
  • 时序图中所有的 !$ 前都缺少符号 #， mermaid 不支持该符号转义
  • 节点0 给 Publisher 发送的 0x37 消息包中除了 topic：#!$TopicNeedVerify_hello，还有 topicForCert：#!$VerifyChannel_#!$TopicNeedVerify_hello_{uuid} 以及 NodeID
  • Publisher 收到 0x37 消息后回包，包中使用的 topic 为：#!$VerifyChannel_#!$VerifyChannel_#!$TopicNeedVerify_hello_{uuid}
  • 身份验证通过之后，推送消息使用的 topic 为 !$TopicNeedVerify_hello
  • 带身份验证的多播在验证身份的流程上同带身份验证的单播一致。不同点在于身份验证通过之后，单播推送消息是一对一，而多播推送消息是一对多

通信协议使用的数据结构:

  • 0x37 消息类型中 content 数据结构：

    1. {"nodeId":"2bb4562f4f4b69e2c5156510da4beddfca548403eb7cea49bd56daed46de31e4d78a44fdfa051170c64f0233dbc0fd75b5b4e8bc2df50a3c9ade833794128623","topic":"#!$TopicNeedVerify_hello","topicForCert":"#!$VerifyChannel_#!$TopicNeedVerify_hello_92be6ce4dbd311eaae5a983b8fda4e0e"}

  • 随机数单播中的 content 数据结构：

    1. {"randValue":"14131f50ef730219d48e1f9c441db871c","topic":"hello"}

  • 随机数签名回包中 content 数据结构：

    1. {"signature":"vU/Vzqn4MiP0nO1xN+M5TOk/YcyFtY/TLrgU38jFdooN66r3TzNVKEBpkNId8gCuAeNpNPCo8vmTV3dcs/Xj1AE="}

  • 0x38 消息类型中 content 数据结构：

    1. {"checkResult":0,"nodeId":"2bb4562f4f4b69e2c5156510da4beddfca548403eb7cea49bd56daed46de31e4d78a44fdfa051170c64f0233dbc0fd75b5b4e8bc2df50a3c9ade833794128623","topic":"#!$TopicNeedVerify_hello"}