P2P 网络革新(Layer-0)

概述

在每个去中心化的区块链系统的基础层，都有一个通过P2P网络进行通信的方法。这个基础层可以称为区块链栈的Layer-0。

大多数区块链项目都没有在Layer-0进行创新，而是简单地复制流行的P2P网络实现。

不幸的是，与中心化网络相比，P2P网络有一个很大的缺点，那就是它们的速度和效率都不高。为了克服这个缺陷，我们设计了专属于我们自己的P2P网络架构。在设计过程中，我们的指导原则是构建一个P2P网络体系结构，随着时间的推移，它的速度可以变得几乎与中心化网络一样快。

为了达到这一目标，我们进行了大量的创新，对现有协议的也进行了相应调整。

P2P Overlay 网络

在TOP Network的生态系统中，有许多必须在彼此之间进行通信和数据传输的组件和子网。如果支持这些组件和子网交互的P2P网络非常弱，那么整个平台都会受到影响。虽然，经过多年的发展，流行的P2P网络已经针对某些特定用例进行了优化，但还不足以支撑一个由许多互不相同，却又互相连接的网络组成，接近无延迟的生态系统。对于需在分片之间持续进行交互的分片系统来说尤其如此。实际上，用于跨分片交流的带宽很快就会成为瓶颈。

我们通过自主构建一个“P2P网络”解决了这一点。我们的“P2P网络”不是一个单片网络，而是许多以分层方式组成的P2P网络，类似于互联网的设计。此外，我们还开发了优化的数据传输和Gossip协议，使带宽消耗最小化，提高节点发现的效率。最后，我们将地理信息嵌入到P2P网络结构中，并实现了智能路由，以减少延迟。

Kademlia DHT

TOP Network中每个P2P网络的基础是一个修改过的Kademlia DHT工具。但是，我们没有用单个Kad网络在所有节点和服务之间进行通信，而是使用了多层的Kad网络。

子P2P网络之间的关系是层次化的，每个子网都有它下面一层的信息。网络的层次结构由zone、cluster和shard实现。每个zone都是一个以cluster和shard为“节点”的Kad网络。cluster和shard是由物理节点组成的子Kad网络。zone是一种逻辑划分，而每个cluster和shard由物理的P2P Kad节点网络组成。本质上，每个子网络充当Kad网络中的一个节点。TOP Network中的每个P2P网络都在一个更大的Kad网络中被虚拟化为单个节点。

XIP 地址

如前所述，TOP Network的网络架构与互联网非常相似。互联网是一个大型网络，而TOP Network是一个大型的P2P网络。在互联网上，每个设备都被分配一个可路由的IP地址。我们在P2P网络中使用了类似的概念，并把这个128位的结构称为XIP地址。正如IP地址允许将包路由到互联网内网中的任何设备一样，在P2P网络中，XIP地址允许任何TOP节点将包路由到驻留在P2P网络上的任何节点。

当一个节点第一次被选中并加入网络时，它会被分配一个唯一的XIP地址，该地址会映射到一个Kad节点ID。此映射存储在链上的一个选举块中。在上层，节想要搜索或连接网络中任意一个对等节点，节点只需使用XIP地址。在底层，会根据XRouting-Table将XIP地址进行转换，XRouting-Table是存储在每个节点本地，用于查找正确子网的表。在这个转换之后，请求被发送到目标子网中最接近目标节点的节点ID。此时，将开始常规的Kad查找，它将返回目标节点的IP或端口。

zones 和地理集群

在传统的Kad网络中，每个节点都有一个随机的唯一NodeID，并且以XOR度量两个NodeID之间的距离。节点聚集在具有相似NodeID(较小的XOR距离)的周围。这个“距离”不是基于地理位置，因此两个“近”的NodeID实际上可能天各一端。

这带来了一个问题，彼此有交互的节点通常不会基于地理位置形成集群，因此会有很高的延迟，这在共识方面是一个特别大的问题。如果使用单个Kad网络作为分片系统的基础，则特定的共识委员会中的节点将随机分布在世界各地，这对确认时间有负面的影响。

为了解决这个问题，我们对NodeID进行了更改。当一个节点第一次加入网络时，诸如国家代码和网络位置等一般的地理信息即被确定。然后将这些信息编码植入NodeID中。因此，具有相同国家代码的节点通常会被放置得很近，在XOR距离和地理距离方面都是如此。zone表示这种地理分区的顶层，每个zone都是一个跨越特定地理区域的Kad网络。例如，一个zone可能覆盖北美，而另一个zone可能覆盖欧洲。特定zone中的集群和分片会因此位于相同的区域，这极大地降低了延迟。

优化的 Gossip 和数据传输协议

在区块链网络中，如比特币底层的P2P网络，通过Gossip协议传播区块和交易。一般来说，节点会存储大量节点的信息，并向可配置数量的对等节点发送区块或交易。然后，接收的对等节点通过相同的进程中继交易或区块，直到每个节点都接收到信息为止。这种简单的Gossip形式是稳健的，因为广播有很高的冗余度。但是，正是因为它的高冗余度，它对网络资源的占用也很大。

TOP Network也是使用Gossip协议来传播信息，但做了一些优化。在TOP Network中发送的数据包被分成头和正文两部分。头的大小只有几个字节，而正文通常要大得多。我们不是将整个包分发给特定子网络中的大量节点，而是使用最有效的层次化组合和多点广播的方法来发送正文。但是，数据头使用可靠的Gossip协议来发送，这大大减少了在Gossip过程中正文必须传输的次数，节省了网络带宽的消耗。

可靠的 UDP

包括Kademlia在内的大多数P2P网络都使用UDP作为底层传输协议。UDP速度快、开销低，对于在Kad网络中使用的快速迭代查找路由而言，是非常理想的方案。然而，UDP是无连接和不可靠的，对于大多数应用程序来说，UDP本身不能保证服务质量。

有一些基于UDP的协议，如谷歌的QUIC是可靠的。然而，对于我们的需求来说，QUIC过于庞大，带来了不必要的开销。所以，我们没有使用现有的UDP协议，而是开发了自己的X-UDP协议。由于这个协议是定制的，只包含了必需的东西，所以，保持了UDP的低开销和高速度。

智能路由

通过Kademlia建立的连接是端到端的，在延迟方面并不一定是最优的。为了提高QoS，我们引入了一种智能路由方案，该方案与Chord DHT中的路由机制有相似之处。当连接到另一个节点时，查找过程最终将提供建立直接连接所需的详细信息。此外，将通过类似于Chord的转发方案测试几个路径，比较每个路径之间的延迟，并使用延迟最低的路由。