以太坊源码分析—Whisper

栏目: 编程工具 · 发布时间: 5年前

内容简介:每一条

前言

Whisper 是以太坊中一项非常有趣的技术,它是一个基于身份的通信系统,被设计用于Dapp之间少量数据通信。 Whisper 协议运行在以太坊 p2p 协议框架之上,所有运行 Whisper 协议的节点(以下简称 节点 )组成一个 Whisper 网络。通过节点之间的消息转发,理论上,每个节点都可以收到所有 Whisper 消息。

特性

Whisper 具有以下基本特性和概念

通信加密

每一条 Whisper 消息在网络上都是加密传输的,可以选择非对称加密(椭圆曲线)和对称加密(AES GSM)两种加密算法之一。

Envelope(信封)

Envelope是网络中传输的 Whisper 消息的基本单位,它包含已加密的 原始消息 以及消息相关的控制信息:

  • Expiry time:消息的超时时刻,过了这个时刻,本消息不会被节点处理或者转发
  • TTL:消息的存活时间,一个消息在从被创建起,只能生存TTL的时间,过了这个时间之后,消息在网络中超时
  • Topic:消息的主题
  • AESNonce:采用AES对称密钥加密算法时使用的Nonce值
  • EnvNonce:用于PoW计算

当一个节点从一个 Peer 收到一个 Envelope 时,不管它自己管不关心里面的数据(Topic是否符合设置的值), 它都会将这个 Envelope 转发给其他 Peer ,这是 Whisper 的固有机制。

Topic(主题)

每个 Envelope 上写明了自己封装消息的 Topic ,如果一个节点不关心这个 Topic ,那么它就不需要去试着打开(解密)这个 Envelope 。通常一个 Topic 对应一个消息加密时使用的Key(无论是对称还是非对称加密)。所以,如果一个节点收到了一个关心的 TopicEnvelope 时,它应该能打开这个 Envelope

Filter(过滤器)

Dapp 可以在节点上安装多个 Filter ,每个 Filter 包含一组条件,只有满足这些条件的 Envelope 才能被打开,准确的说,不是节点打开 Envelope ,而是节点上安装的 Filter 打开 Envelope ,每个 Filter 有一个缓冲区可以存储解密后的消息,如果一个 Envelope 满足多个 Filter ,那么这个消息会存储在多个 Filter 中。 Filter 可以设置以下条件:

  • Topics:关心的主题的集合
  • Sender address:创建这个消息的节点
  • Recipient address:指定接收节点的地址
  • PoW requirement:消息需要的工作量证明
  • AcceptP2P:节点是否接收P2P消息,这类消息有特殊的用途

Proof of Work(工作量证明)

Proof of Work用来防止节点恶意大量发送消息,采用的算法和PoW共识算法差不多。消息的创建者需要找到一个nonce使得消息的Hash值小于一个值。这个值与消息的大小和TTL有关,消息越大,TTL越大,则找到nonce越困难,计算工作量的公式为

$$ PoW = \dfrac{2*BestBit}{size * TTL} $$

其中$BestBit$为Hash值中从左往右第一个为 1 的bit所在的位置(这个值越大,则需要尝试nonce的次数越多)

源码分解

本部分主要涉及Whisper filter envelope ,它们的联系如下图:

Whisper

Whisper表示一个协议实例,负责整个 Whisper 功能的运行,其中比较重要的字段如下:

  • protocol - Whisper协议的特定值,最重要的是其中的 Run 字段,它表示该协议的运行入口
  • filter - 本节点安装的所有 Filter
  • privateKeys - 本节点存储的非对称密钥对的集合,一个Whisper实例可以保存多个密钥对
  • symKeys - 本届点存储的对称密钥的集合,一个Whisper实例可以保存多个对称密钥
  • envelopes - envelope池,保存所有待广播发送的信封。信封池的存储键值是envelope的Hash
  • expirations - 超时池,记录envelope的的过期时间,超时池的存储键值是unix时间,值是envelope的Hash
  • peers - 活跃的Peer节点的集合,数据来源是p2p底层
  • msgQueue - 普通Whisper消息的envelope处理通道

以太坊源码分析—p2p节点发现与协议运行 提到过,两个节点在底层连接建立后,会运行共同支持的协议的 Run 函数,对于Whisper协议来说,就是 HandlerPeer 函数。

以太坊源码分析—Whisper

HandlePeer最终运行在两个Go routine中,一个是 Whisper.runMessageLoop() ,它负责从底层读取消息,另一个是 Peer.update() ,它负责周期性的将 envelope池 中的未发送的 envelope 发送到对端并将过期的 envelope 删除。

Envelope

Envelope表示一个Whisper消息,它有两个来源

  1. 出方向通过 NewEnvelope() 构造
  2. 入方向从Peer节点接收

其重要的字段有

  • Topic - Envelope 中的数据的主题,节点的 Filter 可以过滤感兴趣的主题进行解密
  • EnvNonce - 消息的创建者在PoW中找到的nonce
  • pow - 消息具有的pow值

消息发送的典型过程

以下是本节点广播发送一小段数据 payload ,封装到 Envelope ,再加入到 Envelope池 的过程,其中 wh 表示 Whisper 实例

以太坊源码分析—Whisper

  1. 首先构造发送参数,包括原始数据 payload ,主题Topic等
  2. 利用发送参数构造 SentMessage
  3. 根据发送参数将 SentMessage 封装到新创建的 Envelope ,这一步包括签名(sign)加密(encrypt)计算nonce(Seal)
  4. Envelope 加入 Envelope池

消息接收的典型过程

以下是典型的 Whisper 消息接收过程,其中 w 表示 Whisper 实例

以太坊源码分析—Whisper

  • w.runMessageLoop() 从底层收到 Whisper 消息,并解码成 Envelope ,加入 Envelope 池,调用 postEvent() 向w.messageQueue写入这个事件
  • 另一方面,当 w 通过 Start 启动后,从w.messageQueue接收事件,开始Filter匹配
  • 用已安装的每个Filter去匹配这个 Envelope ,如果匹配上,就将 Envelope 打开(解密),最终将其放入 Filter 的缓冲区中。

demo

写了一个whipser的chat-room demo,托管在 github 上,感兴趣可以瞧瞧


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