一个精巧的p2p网络实现

前言

加密货币都是去中心化的应用，去中心化的基础就是P2P网络，其作用和地位不言而喻，无可替代。当然，对于一个不开源的所谓私链（私有区块链），是否必要，尚无定论。

事实上，P2P网络不是什么新技术。但是，使用Node.js开发的P2P网络，确实值得围观。这一篇，我们就来看看Ebookcoin的点对点网络是如何实现的。

源码

主要源码地址：

peer.js: https://github.com/Ebookcoin/ebookcoin/blob/v0.1.3/modules/peer.js

transport.js: https://github.com/Ebookcoin/ebookcoin/blob/v0.1.3/modules/transport.js

router.js: https://github.com/Ebookcoin/ebookcoin/blob/v0.1.3/helpers/router.js

类图

流程图

解读

基于http的web应用，抓住路由的定义、设计与实现，是快速弄清业务逻辑的简单方法。目前，分析的是modules文件夹下的各个模块文件，这些模块基本都是独立的Express微应用，在开发和设计上相互独立，各不冲突，逻辑清晰，这为学习分析，提供了便利。

1.路由扩展

任何应用，只要提供Web访问能力或第三方访问的Api，都需要提供从地址到逻辑的请求分发功能，这就是路由。Ebookcoin是基于http协议的Express应用，Express底层基于Node.js的connect模块，因此其路由设计简单而灵活。

前面，在入门部分，已经讲到对路由的分拆调用，这里是其简单实现。先看看helper/router.js吧。

// 27行
var Router = function () {
    var router = require('express').Router();

    router.use(function (req, res, next) {
        res.header("Access-Control-Allow-Origin", "*");
        res.header("Access-Control-Allow-Headers", "Origin, X-Requested-With, Content-Type, Accept");
        next();
    });

    router.map = map;

    return router;
}
...

这段代码定义了一个Express路由器Router，并扩展了两个功能：

• 允许任何客户端调用。其实，就是设置了跨域请求，选项Access-Control-Allow-Origin设置为*，自然任何IP和端口的节点都可以访问和被访问。
• 添加了地址映射方法。该方法的主要内容如下：

// 3行
function map(root, config) {
    var router = this;
    Object.keys(config).forEach(function (params) {
        var route = params.split(" ");
        if (route.length != 2 || ["post", "get", "put"].indexOf(route[0]) == -1) {
            throw Error("wrong map config");
        }
        router[route[0]](route[1], function (req, res, next) {
            root[config[params]]({"body": route[0] == "get" ? req.query : req.body}, function (err, response) {
                if (err) {
                    res.json({"success": false, "error": err});
                } else {
                    return res.json(extend({}, {"success": true}, response));
                }
            });
        });
    });
}

该方法，接受两个对象作为参数：

• root: 定义了所要开放Api的逻辑函数;
• config: 定义了路由和root定义的函数的对应关系。

其运行的结果，就相当于：

router.get('/peers', function(req, res, next){
    root.getPeers(...);
})

这里关键的小技巧是，在js代码中，对象也是hash值，root.getPeers() 与 root'getPeers' 是一致的。不过后者可以用字符串变量代替，更加灵活，有点像ruby里的元编程。这是脚本语言的优势（简单的字符串拼接处理）。

扩展一下，在类似sails的框架（基于express)里，很多都是可以使用类似config.json的文件直接配置的，包括路由。参考这个函数，很容易理解和实现。

2.节点路由

很轻松就能在peer.js里找到上述map方法的使用：

// 3行
Router = require('../helpers/router.js')

// 25
privated.attachApi = function () {
    var router = new Router();

    router.use(function (req, res, next) {
        if (modules) return next();
        res.status(500).send({success: false, error: "Blockchain is loading"});
    });

    // 34行
    router.map(shared, {
        "get /": "getPeers",
        "get /version": "version",
        "get /get": "getPeer"
    });

    router.use(function (req, res) {
        res.status(500).send({success: false, error: "API endpoint not found"});
    });

  // 44行
    library.network.app.use('/api/peers', router);
    library.network.app.use(function (err, req, res, next) {
        if (!err) return next();
        library.logger.error(req.url, err.toString());
        res.status(500).send({success: false, error: err.toString()});
    });
};

上面代码的34行，可以直观想象到，会有类似/version的路由出现，44行是express应用，这里就是将定义好的路由放在/api/peers前缀之下，可以确信peer.js文件提供了下面3个公共Api地址：

http://ip:port/api/peers/

http://ip:port/api/peers/version

http://ip:port/api/peers/get

当然，是不是可以直接这么调用，要看具体对应的函数是否还有其他的参数要求，比如：/api/peers/get，按照restful的api设计原则，可以理解为是获得具体某个节点信息，那么总该给个id之类的限定条件吧。看源码：

// 455行
library.scheme.validate(query, {
        type: "object",
        properties: {
            ip_str: {
                type: "string",
                minLength: 1
            },
            port: {
                type: "integer",
                minimum: 0,
                maximum: 65535
            }
        },
        required: ['ip_str', 'port']
    }, function (err) {
        ...
        // 480行
        privated.getByFilter({
            ...
        });
    });

这里，在具体运行过程中，library就是app.js里传过来的scope，该参数包含的scheme代表了一个z_schema实例。

z_schema是一个第三方组件，具体请看参考链接。该组件提供了json数据格式验证功能。上述代码的意思是：对请求参数query进行验证，验证规则是：object类型，属性ip_str要求长度不小于1的字符串，属性port要求0~65535之间的整数，并且都不能空（必需）。

这就说明，我们应该这样请求http://ip:port/api/peers/get?ip_str=0.0.0.0&port=1234，不然会返回错误信息。回头看看getPeers方法的实现，没有required字段，对应可以直接访问http://ip:port/api/peers/。

看480行，上面的地址，都会调用privated.getByFilter()，并由它从sqlite数据库里查询数据表peers。这里涉及到 dblite第三方组件 (请看参考链接)，对请求操作sqlite数据库进行了简单封装。

3.节点保存

大多数应用，读数据相对简单，难在写数据。上面的代码，都是get请求，可以查寻节点及其信息。我们自然会问，查询的信息从哪里来？初始的节点在哪里？节点变更了，怎么办？

（1）初始化节点

从现实角度考虑，在一个P2P网络中，一个孤立的节点，在没有其他任何节点信息的情况下，仅仅靠网络扫描去寻找其他节点，将是一件很难完成的事情，更别提高效和安全了。

因此，在运行软件之前，初始化一些节点供联网使用，是最简单直接的解决方案。这个在配置文件config.json里，有直接体现：

// config.json 15行
"peers": {
        "list": [],
        "blackList": [],
        "options": {
                "timeout": 4000
        }
},
...

list的数据格式为：

[
    {
        ip: 0.0.0.0,
        port: 7000
    },
    ...
]

当然，也可以在启动的时候，通过参数--peers 1.2.3.4:70001, 2.1.2.3:7002提供（代码见app.js47行）。

（2）写入节点

写入节点，就是持久化，或者保存到数据库，或者保存到某个文件。这里保存到sqlite3数据库里的peers表了，代码如下：

// peer.js 347行
Peer.prototype.onBlockchainReady = function () {
    async.eachSeries(library.config.peers.list, function (peer, cb) {
        library.dbLite.query("INSERT OR IGNORE INTO peers(ip, port, state, sharePort) VALUES($ip, $port, $state, $sharePort)", {
            ip: ip.toLong(peer.ip),
            port: peer.port,
            state: 2, //初始状态为2，都是健康的节点
            sharePort: Number(true)
        }, cb);
    }, function (err) {
        if (err) {
            library.logger.error('onBlockchainReady', err);
        }

        privated.count(function (err, count) {
            if (count) {
                privated.updatePeerList(function (err) {
                    err && library.logger.error('updatePeerList', err);
                    // 364行
                    library.bus.message('peerReady');
                })
                library.logger.info('Peers ready, stored ' + count);
            } else {
                library.logger.warn('Peers list is empty');
            }
        });
    });
}

这段代码的意思是，当区块链（后面篇章分析）加载完毕的时候（触发事件），依次将配置的节点写入数据库，如果数据库已经存在相同的记录就忽略，然后更新节点列表，触发节点加载完毕事件。

这里对数据库Sqlite的插入操作，插入语句是library.dbLite.query("INSERT OR IGNORE INTO peers，有意思的是IGNORE操作字符串，是sqlite3支持的（见参考），当数据库有相同记录的时候，该记录被忽略，继续往下执行。

执行成功，就会调用library.bus.message('peerReady')，进而触发peerReady事件。该事件的功能就是：

（3）更新节点

事件onPeerReady函数，如下：

// peer.js 374行
Peer.prototype.onPeerReady = function () {
    setImmediate(function nextUpdatePeerList() {
        privated.updatePeerList(function (err) {
            err && library.logger.error('updatePeerList timer', err);
            setTimeout(nextUpdatePeerList, 60 * 1000);
        })
    });

    setImmediate(function nextBanManager() {
        privated.banManager(function (err) {
            err && library.logger.error('banManager timer', err);
            setTimeout(nextBanManager, 65 * 1000)
        });
    });
}

两个setImmediate函数的调用，一个循环更新节点列表，一个循环更新节点状态。

第一个循环调用

看看第一个循环调用的函数updatePeerList，

privated.updatePeerList = function (cb) {
    // 53行
    modules.transport.getFromRandomPeer({
        api: '/list',
        method: 'GET'
    }, function (err, data) {
        ...
        library.scheme.validate(data.body, {
                    ...
                    // 124行
                    self.update(peer, cb);
                });
            }, cb);
        });
    });
};

看53行，我们知道，程序通过transport模块的.getFromRandomPeer方法，逐个随机的验证节点信息，并将其做删除和更新处理。如此一来，各种调用关系更加清晰，看流程图更加直观。.getFromRandomPeer的代码：

// transport.js 474行
Transport.prototype.getFromRandomPeer = function (config, options, cb) {
    ...

    // 481行
    async.retry(20, function (cb) {
        modules.peer.list(config, function (err, peers) {
            if (!err && peers.length) {
                var peer = peers[0];

                // 485行
                self.getFromPeer(peer, options, cb);
            } else {
                return cb(err || "No peers in db");
            }
        });
   ...
};

代码很简单，重要的是理解async.retry的用法（下篇技术分享，详细学习），该方法就是要重复调用第一个task函数20次，有正确返回结果就传给回调函数。这里，只要查到一个节点，就会传给485行的getFromPeer函数，该函数是检验处理现存节点的核心函数，代码如下：

// transport.js 500行
Transport.prototype.getFromPeer = function (peer, options, cb) {
    ...
    var req = {
        // 519行： 获得节点地址
        url: 'http://' + ip.fromLong(peer.ip) + ':' + peer.port + url,
        ...
    };

    // 532行： 使用`request`组件发送请求
    return request(req, function (err, response, body) {
        if (err || response.statusCode != 200) {
            ...
            if (peer) {
                if (err && (err.code == "ETIMEDOUT" || err.code == "ESOCKETTIMEDOUT" || err.code == "ECONNREFUSED")) {

                    // 542行： 对于无法请求的，自然要删除
                    modules.peer.remove(peer.ip, peer.port, function (err) {
                    ...
                    });
                } else {
                    if (!options.not_ban) {

                        // 549行： 对于状态码不是200的，比如304等禁止状态，就要更改其状态
                        modules.peer.state(peer.ip, peer.port, 0, 600, function (err) {
                        ...
                        });
                    }
                }
            }
            cb && cb(err || ('request status code' + response.statusCode));
            return;
        }

        ...
        if (port > 0 && port <= 65535 && response.headers['version'] == library.config.version) {
            // 595行： 一切问题都不存在
            modules.peer.update({
                ip: peer.ip,
                port: port,
                state: 2, // 598行： 看来健康的节点状态为2
                ...
    });
}

这里最重要的是532行，request第三方组件的使用，请看参考链接。官方说request为简单的http客户端，功能足够强大，可以模拟浏览器访问信息，经常被用来做测试。

第二个循环调用

第二个循环调用的函数很简单，就是循环更改state和clock字段，主要是将禁止的状态state=0，修改为1，如下：

// 142行
privated.banManager = function (cb) {
    library.dbLite.query("UPDATE peers SET state = 1, clock = null where (state = 0 and clock - $now < 0)", {now: Date.now()}, cb);
}

综上，整个P2P网络的读写和更新都已经清楚，回头再看活动图和类图，就更加明朗了。

最后，补充一下数据库里，节点表格peers的字段信息：id,ip,port,state,os,sharePort,version,clock

总结

本篇，重点阅读了peer.js文件，学习了一个使用Node.js开发的P2P网络架构，其特点是：

• 产品提供初始节点列表，保障了初始化节点快速完成，不至于成为孤立节点;
• 节点具备跨域访问能力，任何节点之间都可以自由访问;
• 节点具备自我更新能力，定期查询和更新死掉的节点，保障网络始终畅通;

一旦达到一定的节点数量，就会形成一个互联互通的不死网络。搭建在这种网络上的服务，会充满怎样的诱惑？加密货币为什么会被认为是下一代互联网？这加起来不足千行的代码，可以给我们足够多的遐想空间。

这部分代码，涉及到dblite，request，z_schema等第三方组件，以及Ebookcoin自行实现的事件处理方法library.bus(在app.js文件的行)，都很简单，不再分享或赘述，请自行查阅。本篇涉及的代码中，关于回调的设计很多，值得总结和研究。async组件，被反复使用，有必须汇总一下，请关注后续的技术分享。

参考

z_schema组件: https://github.com/Ebookcoin/z_schema

dblite组件： https://github.com/Ebookcoin/dblite

request组件： http://github.com/request/request

SQL As Understood By SQLite： https://www.sqlite.org/lang_conflict.html