UCE:Caduceus P2P網絡三層體系架構解析_CAD

區塊鏈給互聯網企業帶來了巨大的變革，而其網絡層的P2P網絡的效率問題隨之產生，因此，P2P網絡的效率問題亟待解決。從實際的角度來看，目前大多數區塊鏈企業的觀念、技術手段都還停留在傳統的互聯網時代，許多公司對P2P網絡、DHP網絡等底層體系架構的認識僅僅停留在表面，卻沒有意識到P2P網絡帶來的根本改變。觀念上的停滯，最直接的結果就是區塊鏈網絡層的傳輸速度遲緩，導致了一系列的網絡問題。

Caduceus為什么沒有單獨采用P2P和Gossip協議，而是采用了三層P2P網絡體系架構？Caduceus?目標十萬級持續性TPS的實現框架是什么?

本文將從Caduceus平臺的大規模P2P網絡傳輸技術的角度出發，圍繞P2P網絡中的、拓撲網絡、超立方體、DHP網絡，Gossip的底層技術原理，全方位闡述Caduceus?P2P網絡架構技術的三層體系架構。

目錄：

一、IP體系結構

二、拓撲網絡結構

三、超立方體架構

四、P2P網絡架構及DHP網絡

五、Caduceus網絡架構的應用價值

一、IP體系結構

對于互聯網體系而言，所有的互聯網都是基于網絡七層協議，它從低到高分別是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。其目的是為不同計算機互連提供一個共同的基礎和標準框架，并為保持相關標準的一致性和兼容性提供共同的參考。

IP的三大主要作用?

1.標識節點和鏈路

用唯一的IP地址標識每一個節點

用唯一的IP網絡號標識每一個鏈路

2.尋址和轉發

確定節點所在網絡的位置，進而確定節點所在的位置

IP路由器選擇適當的路徑將IP包轉發到目的節點

3.適應各種數據鏈路

根據鏈路的MTU對IP包進行分片和重組

為了通過實際的數據鏈路傳遞信息，須建立IP地址到數據鏈路層地址的映射

IP協議的主要作用包括:

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1.標識節點和鏈路:?IP為每個鏈路分配一個全局唯一的網絡號(network-number）以標識每個網絡;為節點分配一個全局唯一的32位IP地址，用以標識每一個節點。尋址和轉發:IP路由器（router)根據所掌握的路由信息，確定節點所在網絡的位置，進而確定節點所在的位置，并選擇適當的路徑將IP包轉發到目的節點。

2.適應各種數據鏈路:?為了工作于多樣化的鏈路和介質上，IP必須具備適應各種鏈路的能力，例如可以根據鏈路的MTU(MaximumTransferUnit，最大傳輸單元）對IP包進行分片和重組,可以建立IP地址到數據鏈路層地址的映射以通過實際的數據鏈路傳遞信息。

互聯網的基礎是TCP/IP協議。TCP/IP協議也可以看成四層的分層體系架構，從底層開始分別是物理數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，為了和OSI的七層協議模型對應，物理數據鏈路層還可以拆分成物理層和數據鏈路層，每一層都通過調用它的下一層所提供的網絡任務來完成自己的需求。其中：

OSI應用層、應用層、會話層對應的是TCP/IP協議應用層。

OSI傳輸層的對應的是TCP/IP協議傳輸層。

OSI網絡層的對應的是TCP/IP協議網絡層。

OSI數據鏈路層、物理層對應的是TCP/IP協議數據鏈路層。

OSI七層模型和TCP/IP四個協議層的關系：

1.OSI引入了服務、接口、協議、分層等概念；TCP/IP借鑒了OSI的這些概念并建立TTCP/IP模型。

2.OSI是先有模型，后有協議，先有標準，后進行實踐；而TCP/IP是先有協議和應用，再參考OSI模型提出了自己的四個協議層模型。

3.OSI是一種理論模型，而TCP/IP已廣泛使用，成為網絡互聯事實上的標準。

TCP/IP模型可以通過IP層屏蔽掉多種底層網絡的差異，向傳輸層提供統一的IP數據包服務，進而向應用層提供多種服務，因而具有很好的靈活性。

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二、環形拓撲網絡結構

網絡的拓撲結構，即是指網上計算機或設備與傳輸媒介形成的結點與線的物理構成模式。網絡的結點有兩類：一類是轉換和交換信息的轉接結點，包括結點交換機、集線器和終端控制器等；另一類是訪問結點，包括計算機主機和終端等。線則代表各種傳輸媒介，包括有形的和無形的.

在拓撲結構中，每一個數據節點會跟其他的2至3個數據節點進行連接，這2至3個數據節點是優選后的結果。它的傳輸效率和傳輸路徑一定最短。它們首先會組成一個骨干網，其每個區域都是一個超立方體的結構，其次就是DHP。

拓撲結構的選擇往往與傳輸媒體的選擇及媒體訪問控制方法的確定緊密相關。目前Caduceus是環型拓撲結構，其結構主要特征有以下幾點:

1.可靠性。高效提高可靠性,保證所有數據流能準確接收;系統的可維護性,使故障檢測和故障隔離較為方便。

2.延遲低，盡可能減少響應時間。

3.靈活性強。如果網絡在今后有擴展或改動,能容易地重新配置拓撲結構。

4.高吞吐量。為開發者提供最大的吞吐量。

三、超立方體架構

隨著P2P系統實際應用的發展，物理網絡中影響路由的一些因素開始影響P2P發現算法的效率。一方面，實際網絡中結點之間體現出較大的差異，即異質性。另外，實際網絡被路由器和交換機分割成不同的自治區域，體現出嚴密的層次性。

那么，Caduceus?的升級目標十萬級持續性TPS的實現框架是什么，通過超立方體架構

、DHP網絡、拓撲網絡技術架構，將給區塊鏈行業帶來哪些顛覆性的影響？

在Caduceus?的P2P網絡層，例如，四個項目會發送4個節點，在每個節點收到之后，它并沒有確定其他的節點是不是能收到，并且會再發送給其他節點。其他節點有兩種做法：一是全部都發，二是不再發送給其他節點。

俄羅斯上月共發行1300萬美元的數字資產:金色財經報道，俄羅斯于上月進行七次數字金融資產（DFA）的配售，總額約為10億盧布（1300萬美元）。其中，大部分DFA由俄羅斯最大的銀行機構、國有控股的Sberbank銀行出售，其次是該國最大的私人銀行Alfa-Bank。據悉，這兩家銀行均為俄羅斯銀行授權的DFA平臺運營商。[2023/5/7 14:48:27]

其實這是一個4×4，，節點越多，發送的數據越多。如果按100兆來計算的話，那就是=100萬。如果用Gossip的算法，每個節點就是80個，=2000次。

但gossip協議有一個問題，因為每次只發送20個人，大多數情況下，這20個人的通道可能有80個節點，它的可靠性沒那么高，何時轉出去，我們并不知道。同時這20個人發出去的時候，可能要到100個節點。這也是gossip為什么要提高算法的原因。比如EOS，他們的節點之間相連。這里面很關鍵的因素就是在第二層的超立方體結構。

一般來講，正方體是Q3，超立方體是Q4。超方體是一種很自然的計算機結構。如果處理器對應于Qk中的鄰接節點，則它們之間可以直接通信。用來命名頂點的k元組可以視作處理器的地址。

超方體的結構：Qk中頂點的奇偶性是由該頂點的名字中包含的1的個數的奇偶性而決定的。Qk中每條邊有一個偶端點和一個奇端點。因此，偶頂點構成一個獨立集，奇頂點也構成一個獨立集，因而Qk是一個二部圖。k元組的每個分量可以取兩個值，所以：

對于一個頂點，確定其名字中的一個位置并將該位置的值修改成另一個值，就可以得到它的一個相鄰頂點。于是，Qk是k-正則的。由于含有n個頂點的k-正則圖有nk-2/2條邊，所以：?

超方體可以稱為N位超立方體，可以容納2的N次方節點，且每1個點就是1個階段，一共8個節點。每個節點它會有一個很顯著的特點。比如每1個點一定會跟周圍的3個節點相連。那么它有什么特點呢？

第一，每一個節點可以跟周圍的三個東西，可以變成一個N位根質數。每一個相鄰點跟另外一點，只是在某一個維度上不同。比方兩個節點就是在X軸上有區別。它們的區別是，它變換了中間的這一位。所以，每個節點都可以代表一個N位根數。

過去24小時全網爆倉1.84億美元:金色財經報道，Coinglass數據顯示，過去24小時全網爆倉1.84億美元，其中ETH爆倉3807萬美元，BTC爆倉6922萬美元。[2023/2/17 12:12:36]

如果我們是r的10次方，n等于10，超立方體就能容納1024個節點。那么我們再看這8個節點。從000開始，我們到任何一個節點，最多需要經過3個節點的轉發。

簡單來講，如果節點之間傳遞消息的時間是10毫秒，這就意味著我們將單一節點交易廣播給所有節點，最多只需要消耗30毫秒。一個三維的理念，跟它二進制數相差最大的是1。從000變到111怎么變？每次變一個數字，總共變多少次不會超過n次，因為一共就n位。在超級立方體內，消息傳播到其他節點，最多經過14個點，就一定能到達目標點。

如果10毫秒作為節點之間的延遲，那就是100毫秒之內，我們就一定可以轉發給所有的節點。在區塊鏈領域的P2P網絡中，最關注兩個東西。第一，是這一個節點多長時間內能到達所有的節點。例如收了這個交易，才能談出塊和共識，這個就決定了交易的確認時間。

第二，是消息量。不同的網絡的消息要消息量越少，花費的消息量越少。這對于我們負載的壓力有些影響，我們每個節點處理的能力就越少。

一個n位超立方體，每一個節點最多發出去N次方-1數據。n位超立方體，要廣播到整個超級立方體的網絡里面，它總共需要2的N次方-1消息量。經過這樣一個n位超立方體網絡之后，整個P2P網絡會變的可控。我們從一個點廣播的消息，最多是需要經過10次，就能達到所有點。如果節點之間的連接速度是5毫秒，我們需要10毫秒，所有消息都會到網絡里面去，每個節點都會收到，同時廣播消息量最少。

總的來講，Caduceus由于采用超立方體，節點之間在有限的時間范圍內的消耗更少。能支持更多的節點，傳輸時間更短，同時廣播時間也能控制在有限時間內。

四、P2P網絡架構及DHP網絡

在P2P網絡中，每臺計算機每個節點都是對等的，它們共同為全網提供服務。而且，沒有任何中心化的服務端，每臺主機都可以作為服務端響應請求，也可以作為客戶端使用其他節點所提供的服務。

ICF研發團隊推出最新旗艦Cosmos共識引擎CometBFT:2月2日消息，Interchain Foundation (ICF) 研發團隊、Cosmos 網絡核心開發商 Informal Systems 宣布推出用于跨鏈的狀態機復制引擎 CometBFT。CometBFT 是區塊鏈共識引擎 Tendermint Core 的分叉和繼承者，由 Informal Systems 管理，并由 Interchain Foundation (ICF) 代表更廣泛的 Cosmos 網絡提供支持。

Informal Systems 正在準備發布 CometBFT v0.34，并與 CosmosSDK 等眾多其他團隊合作以促進從 Tendermint Core v0.34 到 CometBFT v0.34 的過渡。此外，Informal Systems 表示將在二季度初發布 CometBFT 的詳細 2023 年路線圖計劃。[2023/2/2 11:43:05]

P2P通信不需要從其他實體或CA獲取地址驗證，因此有效地消除了篡改的可能性和第三方欺騙。所以P2P網絡是去中心化和開放的，這也正符合區塊鏈技術的理念。

P2P系統一般要構造一個拓撲結構，在這個結構中需要解決節點命名，出錯恢復和數據查詢等問題，現有的P2P網絡結構有以下幾種：

混合型的P2P結構

混合型的P2P結構并不是完全的分布式P2P，這種結構中仍然有服務器的存在，不過服務器的作用發生了改變，和傳統的C/S相比，此時服務器僅祈禱促成各種節點協調和擴展的功能，一般這種服務器我們稱為索引服務器。在這種結構下，資源并不存儲在服務器上，而是存儲在各個計算機上，這樣一來可以大大降低服務器的負載壓力，但是對服務器的依賴性依然存在。

純分布式的P2P結構

純分布式的P2P結構又分為非結構模型和結構化模型兩種，其中非結構模型采用隨機圖的組織方式，各個計算機間的關系以及數據的放置方式沒有嚴格的控制，才用洪返的方式來定位數據，該模型的主要優點是穩定性好，主要缺點是查詢效率比較低；結構化模型中主要基于分布式哈希表來控制計算機的分布和數據的放置，該模型的優點是查詢效率高，主要缺點是穩定性比較低。

非結構化P2P模型

非結構化P2P模型采用了基于完全隨機圖的洪泛發現和隨機轉發機制。解決了網絡結構中心化的問題，擴展性和容錯性較好，但是它采用應用程廣播的協議導致消息量過大，網絡負擔過重，無法得知整個網絡的拓撲結構或組成網絡的各計算機的身份，另外這類系統更容易受到垃圾信息甚至是病的惡意攻擊，而且由于采用洪泛方法，查詢的直徑也不可控，查詢效率比較低下。

結構化P2P模型

非結構化P2P系統中存在著缺乏有效的可擴展的查找機制的問題。近年很多研究人員在設計可擴展的查找機制方面做了很多工作，重要成果就是分布式哈希表，基于分布式哈希表的P2P是結構化的P2P。從技術角度來看，P2P網絡的發展可分為以下三個階段：

第一階段：集中式對等網絡

這種網絡采用的是中心化的拓撲結構，由于文件的索引信息都是存儲在中央服務器上，每個子節點都需要連接中央服務器才可以找到資源。它最大的優點是維護簡單、索引速度快。但是由于整個網絡嚴重依賴于中央服務器，容易造成性能瓶頸和單點故障的問題。

第二階段：非結構化的分布式網絡

這種網絡采用Flooding搜索算法，每次搜索都把要查詢的消息廣播給網絡上的所有節點。當一個節點要下載某個文件的時候，這個節點會以文件名或者關鍵字生成一個查詢，并把查詢發送給所有跟他相連的節點。如果這些節點存在文件，則跟這個節點建立連接，如果不存在，則繼續向相鄰的節點轉發這個查詢，直到找到文件位置。

可以發現，當網絡規模變大以后，這種搜索方式會引發”廣播風暴”，嚴重消耗網絡帶寬和節點的系統資源。雖然避免了集中式對等網絡的“單點故障”問題，但是效率卻很低下。

第三階段：結構化的分布式網絡

目前采用最廣泛的就是結構化的分布式網絡，也就是基于DHT的網絡。

DHT為了達到Napster的效率和正確性，以及Gnutella的分散性，使用了較為結構化的基于鍵值對的路由方法。

DHP網絡

DHP全稱是DiffieHellmanProtocol，是一種交換密鑰的方式。在私鑰加密體系中，密鑰是非公開的，加密和解密使用的是同一個密鑰、DPH提供了在公共channel傳遞密鑰的功能。

DHP算法有以下主要恃點：

一、關聯規則算法生成候選集的個數，從而提高了查找每個事務中候選項目集的速度，在很大程度上優化了Apriori算法的性能瓶頸問題。

二、減少事務數據庫的內容。DHP算法生成的更小的候選集在生成2-項目集的時候，就可以通過使用剪技技術逐漸減少事務數據庫的內容，包括減少整個數據庫中事務的數量(即行數)和每個事務項中的個數(即每行包含的項目數量)，從而顯著地減少后面迭代的計算量。

三、減少數據庫掃描，降低對磁盤的1/0訪問。經過剪枝，要處理的候選集小了，更多的內容可以在內存中進行，而且由于DHP算法在每趟掃描數據庫的時候沒有得到項目集，這樣可以節省某些數據庫掃描.把頻繁項目集的確定推遲到后一趟中，從而減少對磁盤1/0的訪問。

DHP算法減少了處理的候選集，是以附加一個Hash表的計算和數據庫表的存儲空間(為了進行數據庫的修剪)為代價，換取執行時間的快速。

另一方面，從目前底層技術角度來看，沒有一條公鏈能在廣域網環境實測達到100kTPS，這是為什么呢？讓我們來做幾個最簡單的算術計算:

無論是以太坊最常用的Token轉帳交易，還是Solana的最小packetwithpayload，每筆交易都需要至少170字節，100kTPS所需網絡帶寬至少為：170Bytes*100k/s=17MB/s=136Mbps。這么大的數據量，而且它還需要廣播到所有共識節點，這是不可想象的。如果使用通常的Gossip協議，節點發出的數據量至少是這個數據10倍以上，而且共識節點數量也多，廣播所需網絡數量也就越大。

可以對比下，BTC15分鐘1個塊，區塊大小是1MB，平均9.1kbps；以太坊最大區塊大小由1.865MB增加為10MB，出塊時間為15～12秒（ETH2.0)，平均1～6.67Mbps。

所以，工程上設計運行指標達到10kTPS以上的區塊鏈，都必須考慮網絡問題，并提供相應的解決方法。而面對網絡層存儲不夠的問題，Caduceus給出了有效的解決方案。

在網絡通信層，Caduceus采用3層的半結構化P2P網絡，拓撲層降低網絡連接度，超立方體層實現快速高效廣播，邊緣計算層負責分布式存儲和邊緣渲染。從而形成帶寬為200Mbps、延遲不超過300ms的大規模跨洲際P2P網絡；

簡單來講，就是Caduceus在網絡通信層，一天的存儲量能達到1.3T，同時作為邊緣計算的入口，其快速構建成一個點對點的通信網絡，且具備穩定、高效的存儲功能。

最后總結：

Caduceus目前采用了三層P2P網絡架構：拓撲網絡、超立方體和DHP網絡結構。拓撲網絡結構負責洲際區域之間的通信，超立方體結構負責城域網節點之間的通信，DHP網絡結構是共識存儲節點、IPFS節點和邊緣渲染節點的通信層。

例如一個10維超立方體可以容納1024個節點，每個節點連接最近的9個節點，每個節點向所有節點廣播消息，消息轉發次數不超過1023，轉發條數不超過9。因此，具有廣播時間短、廣播消息少的特點。這有利于為caduceus的區塊鏈和邊緣渲染系統建立一個高速、低延遲的P2P網絡。

通過三層P2P網絡架構，Caduceus構建的基礎設施將影響到元宇宙的未來。其底層網絡架構切實反映了元宇宙發展的原始原則，將作為所有Caduceus生態和開發者最終受益的價值基礎。

從本質上講，Caduceus不會像以前的傳統企業那樣按照固有認知解決新問題，而是專注于通過區塊鏈技術，打造全新一代的網絡效率解決方案。Caduceus未來將構建一個開放自由、互通互助的元宇宙生態，成為元宇宙的重要基礎設施和入口。

來源：金色財經

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