Одноранговая сеть и gossip-протокол

Любопытство

1. Как новая нода в пустой сети находит своего первого пира?
2. Как новый блок за считаные секунды достигает тысяч нод без какой-либо координации?
3. Что мешает злоумышленнику изолировать ноду от остальной сети?

Исследование

1. Биткоин работает как децентрализованная одноранговая (peer-to-peer) сеть, в которой каждая полная нода независимо поддерживает собственное состояние. Чтобы присоединиться к ней, новая нода должна установить TCP-соединения с существующими пирами. В мейннете для этих соединений используется порт 8333. Первоначальное обнаружение опирается на DNS-сиды, которые поддерживают давние участники сообщества и которые прописаны в программе, а также на жёстко заданные резервные адреса. После подключения нода может запросить адреса командой 'getaddr' и получить их в сообщениях 'addr', что позволяет ей узнавать о других активных участниках и динамически расширять круг своих пиров.
2. Bitcoin Core поддерживает определённую топологию: 8 исходящих соединений с полной ретрансляцией (full-relay) для распространения транзакций и блоков плюс 2 соединения только для ретрансляции блоков (block-relay-only), чтобы снизить нагрузку на канал. Всего допускается до 125 соединений, входящих и исходящих. Такая структура обеспечивает избыточность: если один пир отключается или перестаёт отвечать, нода сохраняет связь через остальных. Соединения block-relay-only не передают ни транзакций, ни адресов, поэтому стороннему наблюдателю сложнее составить карту топологии сети.
3. Распространение данных строится на механизме объявлений. Получив новую транзакцию, нода объявляет о ней сообщением 'inv' (inventory), которое содержит хеш, но не сами данные; новые блоки сейчас обычно объявляются прямой отправкой заголовка или компактного блока. Пиры, получившие объявление, видят, что у них нет этого объекта, и отправляют запрос 'getdata'. Затем исходный владелец передаёт полные данные. Такой двухэтапный процесс не даёт засорять сеть избыточными крупными пакетами данных, пока пиры не подтвердят интерес, и обеспечивает эффективное использование пропускной способности во всей распределённой системе.
4. Компактные блоки (BIP152), появившиеся в 2016 году, ещё больше оптимизируют этот процесс. Поскольку большинство транзакций в блоке пирам уже известны благодаря их распространению через мемпул, отправлять полный блок расточительно. Вместо этого нода отправляет заголовок блока и короткие идентификаторы (по 6 байт каждый) его транзакций вместе с coinbase-транзакцией; получатель восстанавливает блок из собственного мемпула и запрашивает лишь те немногие транзакции, которых у него нет. Это значительно сокращает задержку распространения блоков и позволяет сети быстрее достигать консенсуса даже при большом объёме транзакций.
5. Eclipse-атаки демонстрируют хрупкость разнообразия пиров. Хейлман и соавторы (2015) показали, что злоумышленник, захвативший все соединения ноды, может изолировать её от честной сети и подсовывать ей ложное представление о цепочке. Bitcoin Core внедрил предложенные ими контрмеры начиная с версии 0.10.1, в том числе пробные (feeler) соединения и более аккуратное вытеснение записей из таблицы адресов, а позже добавил якорные (anchor) соединения, сохраняющиеся после перезапуска. Работа исключительно через Tor может сделать ноду более, а не менее уязвимой для eclipse-атаки.
6. Проверьте подключения своей ноды, выполнив 'bitcoin-cli getpeerinfo' в терминале, подключённом к локальному экземпляру Bitcoin Core. В выводе указаны адрес каждого пира, его 'connection_type' (например, outbound-full-relay или block-relay-only), версия ПО и степень синхронизации ('synced_headers', 'synced_blocks'). У исправной ноды около десяти исходящих соединений: восемь full-relay и два block-relay-only.

Ключевые факты

Упражнение девять, шесть, три, один

Проверка фактов

Даты, цифры и утверждения были проверены по приведенным ниже опубликованным источникам.

• Bitcoin Developer Guide, 'P2P Network' section
• Heilman et al., 'Eclipse Attacks on Bitcoin's Peer-to-Peer Network' (USENIX Security 2015)
• BIP152: Compact Block Relay