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以太坊源碼分析—Whisper

Doyle / 1545人閱讀

摘要：前言是以太坊中一項非常有趣的技術(shù)，它是一個基于身份的通信系統(tǒng)，被設計用于之間少量數(shù)據(jù)通信。協(xié)議運行在以太坊協(xié)議框架之上，所有運行協(xié)議的節(jié)點以下簡稱節(jié)點組成一個網(wǎng)絡。

[TOC]

前言

Whisper是以太坊中一項非常有趣的技術(shù)，它是一個基于身份的通信系統(tǒng)，被設計用于Dapp之間少量數(shù)據(jù)通信。Whisper協(xié)議運行在以太坊p2p協(xié)議框架之上，所有運行Whisper協(xié)議的節(jié)點（以下簡稱節(jié)點）組成一個Whisper網(wǎng)絡。通過節(jié)點之間的消息轉(zhuǎn)發(fā)，理論上，每個節(jié)點都可以收到所有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)絡上都是加密傳輸?shù)模梢赃x擇非對稱加密（橢圓曲線）和對稱加密（AES GSM）兩種加密算法之一。

Envelope(信封)

Envelope是網(wǎng)絡中傳輸?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：消息的超時時刻，過了這個時刻，本消息不會被節(jié)點處理或者轉(zhuǎn)發(fā)

TTL：消息的存活時間，一個消息在從被創(chuàng)建起，只能生存TTL的時間，過了這個時間之后，消息在網(wǎng)絡中超時

Topic：消息的主題

AESNonce：采用AES對稱密鑰加密算法時使用的Nonce值

EnvNonce：用于PoW計算

當一個節(jié)點從一個Peer收到一個Envelope時，不管它自己管不關(guān)心里面的數(shù)據(jù)（Topic是否符合設置的值）， 它都會將這個Envelope轉(zhuǎn)發(fā)給其他Peer，這是Whisper的固有機制。

Topic(主題)

每個Envelope上寫明了自己封裝消息的Topic，如果一個節(jié)點不關(guān)心這個Topic，那么它就不需要去試著打開（解密）這個Envelope。通常一個Topic對應一個消息加密時使用的Key（無論是對稱還是非對稱加密）。所以，如果一個節(jié)點收到了一個關(guān)心的Topic的Envelope時，它應該能打開這個Envelope

Filter(過濾器)

Dapp 可以在節(jié)點上安裝多個Filter，每個Filter包含一組條件，只有滿足這些條件的Envelope才能被打開，準確的說，不是節(jié)點打開Envelope，而是節(jié)點上安裝的Filter打開Envelope，每個Filter有一個緩沖區(qū)可以存儲解密后的消息，如果一個Envelope滿足多個Filter，那么這個消息會存儲在多個Filter中。Filter可以設置以下條件：

Topics：關(guān)心的主題的集合

Sender address：創(chuàng)建這個消息的節(jié)點

Recipient address：指定接收節(jié)點的地址

PoW requirement：消息需要的工作量證明

AcceptP2P：節(jié)點是否接收P2P消息，這類消息有特殊的用途

Proof of Work(工作量證明)

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

其中$BestBit$為Hash值中從左往右第一個為1的bit所在的位置（這個值越大，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表示一個協(xié)議實例，負責整個Whisper功能的運行，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)議的運行入口

filter - 本節(jié)點安裝的所有Filter

privateKeys - 本節(jié)點存儲的非對稱密鑰對的集合，一個Whisper實例可以保存多個密鑰對

symKeys － 本屆點存儲的對稱密鑰的集合，一個Whisper實例可以保存多個對稱密鑰

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

expirations － 超時池，記錄envelope的的過期時間，超時池的存儲鍵值是unix時間，值是envelope的Hash

peers － 活躍的Peer節(jié)點的集合，數(shù)據(jù)來源是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)點發(fā)現(xiàn)與協(xié)議運行提到過，兩個節(jié)點在底層連接建立后，會運行共同支持的協(xié)議的Run函數(shù)，對于Whisper協(xié)議來說，就是HandlerPeer函數(shù)。

HandlePeer最終運行在兩個Go routine中，一個是Whisper.runMessageLoop(),它負責從底層讀取消息，另一個是Peer.update()，它負責周期性的將envelope池中的未發(fā)送的envelope發(fā)送到對端并將過期的envelope刪除。

Envelope

Envelope表示一個Whisper消息，它有兩個來源

出方向通過NewEnvelope()構(gòu)造

入方向從Peer節(jié)點接收

其重要的字段有

Topic － Envelope中的數(shù)據(jù)的主題，節(jié)點的Filter可以過濾感興趣的主題進行解密

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)送的典型過程

以下是本節(jié)點廣播發(fā)送一小段數(shù)據(jù)payload，封裝到Envelope，再加入到Envelope池的過程，其中wh表示Whisper實例

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)計算nonce(Seal)

將Envelope加入Envelope池

消息接收的典型過程

以下是典型的Whisper消息接收過程，其中w表示Whisper實例

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寫入這個事件

另一方面，當w通過Start啟動后，從w.messageQueue接收事件，開始Filter匹配

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

demo

寫了一個whipser的chat-room demo，托管在github上，感興趣可以瞧瞧

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