比特币网络

比特币网络作为一个点对点 (P2P) 系统运行，节点参与交易活动。这些节点负责验证和传播交易和区块。其中，矿工是创建新区块的专门节点。该网络包含各种类型的节点，主要分为两类：完整节点和简单支付验证 (SPV) 节点。

完整节点使用比特币核心客户端软件，处理钱包功能、挖矿、完整区块链存储和网络路由。但是，并非比特币网络中的每个节点都需要执行所有这些角色。SPV 节点或轻客户端仅专注于钱包操作和网络路由。

识别比特币网络

比特币网络以其独特的魔术值为特征，用于表示消息的源网络。下表列出了这些值：

一个完整的比特币节点执行四个功能。分别是钱包、矿工、区块链和网络路由。我们已经在前面的章节中讨论了挖矿和区块链。在这里，我们从比特币网络继续之前的内容。

比特币网络中的协议消息

目前有几种不同的协议消息类型，随着协议的发展，这种类型的数量可能会增加。以下是最常用的协议消息及其描述的列表：

• 版本 - 此初始消息由节点发送到网络，指示其版本和区块数量。远程节点以相同的信息进行响应，建立连接。
• Verack - 此消息确认版本消息并接受连接请求。
• Inv - 节点使用此消息来宣布它们知道哪些区块和交易。
• Getdata - 此消息是对 inv 的响应，请求由其哈希标识的特定区块或交易。
• Getblocks - 这将返回一个 inv 数据包，其中包含从最后一个已知哈希开始或最多 500 个区块的所有区块的列表。
• Getheaders - 此消息请求指定范围内的区块头。
• Tx - 这用于在响应 getdata 协议消息时传输交易。
• Block - 此消息在回复 getdata 协议消息时发送区块。
• Headers - 此数据包可以作为对 getheaders 请求的响应返回多达 2,000 个区块头。
• Getaddr - 发送此消息以请求有关已知对等节点的信息。
• Addr - 这提供了有关网络上节点的信息，包括地址数量和格式为 IP 地址和端口号的地址列表。
• Ping - 此消息用于验证 TCP/IP 网络连接的活动。
• Pong - 此消息是对 ping 的响应，确认网络连接正常。

比特币网络中发生了什么？

通过协议传输消息的过程在比特币网络中执行。这按时间顺序发生，如下所示：

• 在比特币网络中，该过程从客户端传输称为版本消息的协议消息开始，该消息包含多个字段，例如版本、服务、时间戳、网络地址、随机数和其他信息。
• 作为响应，远程节点发送其自己的版本消息，然后两个节点之间交换verack消息，确认连接已成功建立。
• 随后，交换getaddr和addr消息以识别客户端尚不知道的对等节点。
• 在此过程中，任一节点都可能发送 ping 消息以验证连接的持续状态。getaddr 和 addr 消息类型在比特币协议中指定。

此网络协议序列图说明了两个比特币节点在初始连接阶段的通信。

在给定的示例中，节点 A 位于左侧，而节点 B 位于右侧。节点 A 通过发送包含版本号和当前时间戳的版本消息到远程对等节点节点 B 来启动连接。然后，节点 B 以其自己的版本消息进行回复，其中也包含版本号和当前时间。

在此之后，节点 A 和节点 B 交换 verack 消息，表示连接已成功建立。连接确认后，对等节点可以交换 getaddr 和 addr 消息以发现网络中的其他对等节点。

此时，可以开始下载区块的过程。如果节点已经同步了所有区块，它将使用 inv 协议消息侦听新区块。否则，它首先检查对 inv 消息的响应以及它是否拥有清单。如果有清单，它将使用 getdata 协议消息请求区块；如果没有，它将通过 getblocks 消息请求清单。

完整客户端和 SPV 客户端

比特币网络节点可以以两种主要模式运行：作为完整客户端或作为轻量级SPV 客户端。完整客户端，也称为胖客户端或完整节点，下载整个区块链，为验证交易提供最高级别的安全性。

相反，SPV 客户端允许用户验证支付，而无需下载完整的区块链。这些 SPV 节点仅维护最长有效区块链的区块头。通过检查 Merkle 分支来实现验证，该分支将交易连接到记录它们的原始区块。这种方法可能有些不切实际，需要更有效的解决方案，这通过BIP37引入。

布隆过滤器

布隆过滤器是一种专门的数据结构，特别是具有索引位置的位向量，旨在概率性地评估元素的成员资格。它允许进行可能产生误报但保证不会产生漏报的概率查找。这意味着，虽然过滤器可能会错误地指示某个元素是测试集的一部分，但它永远不会错误地声称现有元素不存在。本质上，可能会发生误报，但漏报是不可能的。

要将元素合并到布隆过滤器中，会对其进行多次哈希，并根据结果索引将位向量中的相应位设置为 1。要验证元素的存在，会应用相同的哈希函数，并检查位向量中的位是否都设置为 1。

布隆过滤器主要由简单支付验证 (SPV) 客户端用于请求特定交易和相关的Merkle 块。

Merkle 块作为区块的紧凑表示，包含区块头、几个哈希、一个 1 位标志列表和交易计数。此数据可用于构建Merkle 树。过滤器经过定制，仅匹配 SPV 客户端已请求的那些交易和区块。在交换版本消息并在对等节点之间建立连接后，节点可以根据其特定需求配置过滤器。