以太坊源碼分析—Whisper

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前言

Whisper是以太坊中一項很是有趣的技術，它是一個基於身份的通訊系統，被設計用於Dapp之間少許數據通訊。Whisper協議運行在以太坊p2p協議框架之上，全部運行Whisper協議的節點（如下簡稱節點）組成一個Whisper網絡。經過節點之間的消息轉發，理論上，每一個節點均可以收到全部Whisper消息。

特性

Whisper具備如下基本特性和概念

通訊加密

每一條Whisper消息在網絡上都是加密傳輸的，能夠選擇非對稱加密（橢圓曲線）和對稱加密（AES GSM）兩種加密算法之一。

Envelope(信封)

Envelope是網絡中傳輸的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，本消息不會被節點處理或者轉發
• TTL：消息的存活時間，一個消息在從被建立起，只能生存TTL的時間，過了這個時間以後，消息在網絡中超時
• Topic：消息的主題
• AESNonce：採用AES對稱密鑰加密算法時使用的Nonce值
• EnvNonce：用於PoW計算

當一個節點從一個Peer收到一個Envelope時，無論它本身管不關內心面的數據（Topic是否符合設置的值）， 它都會將這個Envelope轉發給其餘Peer，這是Whisper的固有機制。

Topic(主題)

每一個Envelope上寫明瞭本身封裝消息的Topic，若是一個節點不關心這個Topic，那麼它就不須要去試着打開（解密）這個Envelope。一般一個Topic對應一個消息加密時使用的Key（不管是對稱仍是非對稱加密）。因此，若是一個節點收到了一個關心的Topic的Envelope時，它應該能打開這個Envelope

Filter(過濾器)

Dapp 能夠在節點上安裝多個Filter，每一個Filter包含一組條件，只有知足這些條件的Envelope才能被打開，準確的說，不是節點打開Envelope，而是節點上安裝的Filter打開Envelope，每一個Filter有一個緩衝區能夠存儲解密後的消息，若是一個Envelope知足多個Filter，那麼這個消息會存儲在多個Filter中。Filter能夠設置如下條件：

• Topics：關心的主題的集合
• Sender address：建立這個消息的節點
• Recipient address：指定接收節點的地址
• PoW requirement：消息須要的工做量證實
• AcceptP2P：節點是否接收P2P消息，這類消息有特殊的用途

Proof of Work(工做量證實)

Proof of Work用來防止節點惡意大量發送消息，採用的算法和PoW共識算法差很少。消息的建立者須要找到一個nonce使得消息的Hash值小於一個值。這個值與消息的大小和TTL有關，消息越大，TTL越大，則找到nonce越困難，計算工做量的公式爲

其中$BestBit$爲Hash值中從左往右第一個爲1的bit所在的位置（這個值越大，則須要嘗試nonce的次數越多）

源碼分解

本部分主要涉及Whisper filter envelope ，它們的聯繫以下圖：

Whisper

Whisper表示一個協議實例，負責整個Whisper功能的運行，其中比較重要的字段以下：

• protocol － Whisper協議的特定值，最重要的是其中的Run字段，它表示該協議的運行入口
• filter - 本節點安裝的全部Filter
• privateKeys - 本節點存儲的非對稱密鑰對的集合，一個Whisper實例能夠保存多個密鑰對
• symKeys － 本屆點存儲的對稱密鑰的集合，一個Whisper實例能夠保存多個對稱密鑰
• envelopes － envelope池，保存全部待廣播發送的信封。信封池的存儲鍵值是envelope的Hash
• expirations － 超時池，記錄envelope的的過時時間，超時池的存儲鍵值是unix時間，值是envelope的Hash
• peers － 活躍的Peer節點的集合，數據來源是p2p底層
• msgQueue － 普通Whisper消息的envelope處理通道

在以太坊源碼分析—p2p節點發現與協議運行提到過，兩個節點在底層鏈接創建後，會運行共同支持的協議的Run函數，對於Whisper協議來講，就是HandlerPeer函數。

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，另外一個是Peer.update()，它負責週期性的將envelope池中的未發送的envelope發送到對端並將過時的envelope刪除。

Envelope

Envelope表示一個Whisper消息，它有兩個來源

1. 出方向經過NewEnvelope()構造
2. 入方向從Peer節點接收

其重要的字段有

• Topic － Envelope中的數據的主題，節點的Filter能夠過濾感興趣的主題進行解密
• EnvNonce － 消息的建立者在PoW中找到的nonce
• pow － 消息具備的pow值

消息發送的典型過程

如下是本節點廣播發送一小段數據payload，封裝到Envelope，再加入到Envelope池的過程，其中wh表示Whisper實例

1. 首先構造發送參數，包括原始數據payload，主題Topic等
2. 利用發送參數構造SentMessage
3. 根據發送參數將SentMessage封裝到新建立的Envelope，這一步包括簽名(sign)加密(encrypt)計算nonce(Seal)
4. 將Envelope加入Envelope池

消息接收的典型過程

如下是典型的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，並解碼成Envelope,加入Envelope池，調用postEvent()向w.messageQueue寫入這個事件
• 另外一方面，當w經過Start啓動後，從w.messageQueue接收事件，開始Filter匹配
• 用已安裝的每一個Filter去匹配這個Envelope，若是匹配上，就將Envelope打開(解密)，最終將其放入Filter的緩衝區中。

demo

寫了一個whipser的chat-room demo，託管在github上，感興趣能夠瞧瞧