以太坊源碼分析—Whisper

Doyle 發(fā)布于2019-06-27 18:50 / 1591人閱讀

摘要：前言是以太坊中一項(xiàng)非常有趣的技術(shù)，它是一個(gè)基于身份的通信系統(tǒng)，被設(shè)計(jì)用于之間少量數(shù)據(jù)通信。協(xié)議運(yùn)行在以太坊協(xié)議框架之上，所有運(yùn)行協(xié)議的節(jié)點(diǎn)以下簡(jiǎn)稱(chēng)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

[TOC]

前言

Whisper是以太坊中一項(xiàng)非常有趣的技術(shù)，它是一個(gè)基于身份的通信系統(tǒng)，被設(shè)計(jì)用于Dapp之間少量數(shù)據(jù)通信。Whisper協(xié)議運(yùn)行在以太坊p2p協(xié)議框架之上，所有運(yùn)行Whisper協(xié)議的節(jié)點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)節(jié)點(diǎn)）組成一個(gè)Whisper網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的消息轉(zhuǎn)發(fā)，理論上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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

每一條Whisper消息在網(wǎng)絡(luò)上都是加密傳輸?shù)?，可以選擇非對(duì)稱(chēng)加密（橢圓曲線(xiàn)）和對(duì)稱(chēng)加密（AES GSM）兩種加密算法之一。

Envelope(信封)

Envelope是網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)?b>Whisper消息的基本單位，它包含已加密的原始消息以及消息相關(guān)的控制信息：

Expiry time：消息的超時(shí)時(shí)刻，過(guò)了這個(gè)時(shí)刻，本消息不會(huì)被節(jié)點(diǎn)處理或者轉(zhuǎn)發(fā)

TTL：消息的存活時(shí)間，一個(gè)消息在從被創(chuàng)建起，只能生存TTL的時(shí)間，過(guò)了這個(gè)時(shí)間之后，消息在網(wǎng)絡(luò)中超時(shí)

Topic：消息的主題

AESNonce：采用AES對(duì)稱(chēng)密鑰加密算法時(shí)使用的Nonce值

EnvNonce：用于PoW計(jì)算

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)Peer收到一個(gè)Envelope時(shí)，不管它自己管不關(guān)心里面的數(shù)據(jù)（Topic是否符合設(shè)置的值），它都會(huì)將這個(gè)Envelope轉(zhuǎn)發(fā)給其他Peer，這是Whisper的固有機(jī)制。

Topic(主題)

每個(gè)Envelope上寫(xiě)明了自己封裝消息的Topic，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)不關(guān)心這個(gè)Topic，那么它就不需要去試著打開(kāi)（解密）這個(gè)Envelope。通常一個(gè)Topic對(duì)應(yīng)一個(gè)消息加密時(shí)使用的Key（無(wú)論是對(duì)稱(chēng)還是非對(duì)稱(chēng)加密）。所以，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到了一個(gè)關(guān)心的Topic的Envelope時(shí)，它應(yīng)該能打開(kāi)這個(gè)Envelope

Filter(過(guò)濾器)

Dapp 可以在節(jié)點(diǎn)上安裝多個(gè)Filter，每個(gè)Filter包含一組條件，只有滿(mǎn)足這些條件的Envelope才能被打開(kāi)，準(zhǔn)確的說(shuō)，不是節(jié)點(diǎn)打開(kāi)Envelope，而是節(jié)點(diǎn)上安裝的Filter打開(kāi)Envelope，每個(gè)Filter有一個(gè)緩沖區(qū)可以存儲(chǔ)解密后的消息，如果一個(gè)Envelope滿(mǎn)足多個(gè)Filter，那么這個(gè)消息會(huì)存儲(chǔ)在多個(gè)Filter中。Filter可以設(shè)置以下條件：

Topics：關(guān)心的主題的集合

Sender address：創(chuàng)建這個(gè)消息的節(jié)點(diǎn)

Recipient address：指定接收節(jié)點(diǎn)的地址

PoW requirement：消息需要的工作量證明

AcceptP2P：節(jié)點(diǎn)是否接收P2P消息，這類(lèi)消息有特殊的用途

Proof of Work(工作量證明)

Proof of Work用來(lái)防止節(jié)點(diǎn)惡意大量發(fā)送消息，采用的算法和PoW共識(shí)算法差不多。消息的創(chuàng)建者需要找到一個(gè)nonce使得消息的Hash值小于一個(gè)值。這個(gè)值與消息的大小和TTL有關(guān)，消息越大，TTL越大，則找到nonce越困難，計(jì)算工作量的公式為

其中$BestBit$為Hash值中從左往右第一個(gè)為1的bit所在的位置（這個(gè)值越大，則需要嘗試nonce的次數(shù)越多）

源碼分解

本部分主要涉及Whisper filter envelope ，它們的聯(lián)系如下圖：

Whisper

Whisper表示一個(gè)協(xié)議實(shí)例，負(fù)責(zé)整個(gè)Whisper功能的運(yùn)行，其中比較重要的字段如下：

protocol － Whisper協(xié)議的特定值，最重要的是其中的Run字段，它表示該協(xié)議的運(yùn)行入口

filter - 本節(jié)點(diǎn)安裝的所有Filter

privateKeys - 本節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的非對(duì)稱(chēng)密鑰對(duì)的集合，一個(gè)Whisper實(shí)例可以保存多個(gè)密鑰對(duì)

symKeys －本屆點(diǎn)存儲(chǔ)的對(duì)稱(chēng)密鑰的集合，一個(gè)Whisper實(shí)例可以保存多個(gè)對(duì)稱(chēng)密鑰

envelopes － envelope池，保存所有待廣播發(fā)送的信封。信封池的存儲(chǔ)鍵值是envelope的Hash

expirations －超時(shí)池，記錄envelope的的過(guò)期時(shí)間，超時(shí)池的存儲(chǔ)鍵值是unix時(shí)間，值是envelope的Hash

peers －活躍的Peer節(jié)點(diǎn)的集合，數(shù)據(jù)來(lái)源是p2p底層

msgQueue －普通Whisper消息的envelope處理通道

在以太坊源碼分析—p2p節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與協(xié)議運(yùn)行提到過(guò)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在底層連接建立后，會(huì)運(yùn)行共同支持的協(xié)議的Run函數(shù)，對(duì)于Whisper協(xié)議來(lái)說(shuō)，就是HandlerPeer函數(shù)。

HandlePeer最終運(yùn)行在兩個(gè)Go routine中，一個(gè)是Whisper.runMessageLoop(),它負(fù)責(zé)從底層讀取消息，另一個(gè)是Peer.update()，它負(fù)責(zé)周期性的將envelope池中的未發(fā)送的envelope發(fā)送到對(duì)端并將過(guò)期的envelope刪除。

Envelope

Envelope表示一個(gè)Whisper消息，它有兩個(gè)來(lái)源

出方向通過(guò)NewEnvelope()構(gòu)造

入方向從Peer節(jié)點(diǎn)接收

其重要的字段有

Topic － Envelope中的數(shù)據(jù)的主題，節(jié)點(diǎn)的Filter可以過(guò)濾感興趣的主題進(jìn)行解密

EnvNonce －消息的創(chuàng)建者在PoW中找到的nonce

pow －消息具有的pow值

消息發(fā)送的典型過(guò)程

以下是本節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送一小段數(shù)據(jù)payload，封裝到Envelope，再加入到Envelope池的過(guò)程，其中wh表示Whisper實(shí)例

首先構(gòu)造發(fā)送參數(shù)，包括原始數(shù)據(jù)payload，主題Topic等

利用發(fā)送參數(shù)構(gòu)造SentMessage

根據(jù)發(fā)送參數(shù)將SentMessage封裝到新創(chuàng)建的Envelope，這一步包括簽名(sign)加密(encrypt)計(jì)算nonce(Seal)

將Envelope加入Envelope池

消息接收的典型過(guò)程

以下是典型的Whisper消息接收過(guò)程，其中w表示Whisper實(shí)例

w.runMessageLoop()從底層收到Whisper消息，并解碼成Envelope,加入Envelope池，調(diào)用postEvent()向w.messageQueue寫(xiě)入這個(gè)事件

另一方面，當(dāng)w通過(guò)Start啟動(dòng)后，從w.messageQueue接收事件，開(kāi)始Filter匹配

用已安裝的每個(gè)Filter去匹配這個(gè)Envelope，如果匹配上，就將Envelope打開(kāi)(解密)，最終將其放入Filter的緩沖區(qū)中。

demo

寫(xiě)了一個(gè)whipser的chat-room demo，托管在github上，感興趣可以瞧瞧

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