以太坊源码分析—Whisper

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前言

Whisper是以太坊中一项很是有趣的技术，它是一个基于身份的通讯系统，被设计用于Dapp之间少许数据通讯。Whisper协议运行在以太坊p2p协议框架之上，全部运行Whisper协议的节点（如下简称节点）组成一个Whisper网络。经过节点之间的消息转发，理论上，每一个节点均可以收到全部Whisper消息。

特性

Whisper具备如下基本特性和概念

通讯加密

每一条Whisper消息在网络上都是加密传输的，能够选择非对称加密（椭圆曲线）和对称加密（AES GSM）两种加密算法之一。

Envelope(信封)

Envelope是网络中传输的Whisper消息的基本单位，它包含已加密的原始消息以及消息相关的控制信息：

• Expiry time：消息的超时时刻，过了这个时刻，本消息不会被节点处理或者转发
• TTL：消息的存活时间，一个消息在从被建立起，只能生存TTL的时间，过了这个时间以后，消息在网络中超时
• Topic：消息的主题
• AESNonce：采用AES对称密钥加密算法时使用的Nonce值
• EnvNonce：用于PoW计算

当一个节点从一个Peer收到一个Envelope时，无论它本身管不关内心面的数据（Topic是否符合设置的值）， 它都会将这个Envelope转发给其余Peer，这是Whisper的固有机制。

Topic(主题)

每一个Envelope上写明了本身封装消息的Topic，若是一个节点不关心这个Topic，那么它就不须要去试着打开（解密）这个Envelope。一般一个Topic对应一个消息加密时使用的Key（不管是对称仍是非对称加密）。因此，若是一个节点收到了一个关心的Topic的Envelope时，它应该能打开这个Envelope

Filter(过滤器)

Dapp 能够在节点上安装多个Filter，每一个Filter包含一组条件，只有知足这些条件的Envelope才能被打开，准确的说，不是节点打开Envelope，而是节点上安装的Filter打开Envelope，每一个Filter有一个缓冲区能够存储解密后的消息，若是一个Envelope知足多个Filter，那么这个消息会存储在多个Filter中。Filter能够设置如下条件：

• Topics：关心的主题的集合
• Sender address：建立这个消息的节点
• Recipient address：指定接收节点的地址
• PoW requirement：消息须要的工做量证实
• AcceptP2P：节点是否接收P2P消息，这类消息有特殊的用途

Proof of Work(工做量证实)

Proof of Work用来防止节点恶意大量发送消息，采用的算法和PoW共识算法差很少。消息的建立者须要找到一个nonce使得消息的Hash值小于一个值。这个值与消息的大小和TTL有关，消息越大，TTL越大，则找到nonce越困难，计算工做量的公式为

其中$BestBit$为Hash值中从左往右第一个为1的bit所在的位置（这个值越大，则须要尝试nonce的次数越多）

源码分解

本部分主要涉及Whisper filter envelope ，它们的联系以下图：

Whisper

Whisper表示一个协议实例，负责整个Whisper功能的运行，其中比较重要的字段以下：

• protocol － Whisper协议的特定值，最重要的是其中的Run字段，它表示该协议的运行入口
• filter - 本节点安装的全部Filter
• privateKeys - 本节点存储的非对称密钥对的集合，一个Whisper实例能够保存多个密钥对
• symKeys － 本届点存储的对称密钥的集合，一个Whisper实例能够保存多个对称密钥
• envelopes － envelope池，保存全部待广播发送的信封。信封池的存储键值是envelope的Hash
• expirations － 超时池，记录envelope的的过时时间，超时池的存储键值是unix时间，值是envelope的Hash
• peers － 活跃的Peer节点的集合，数据来源是p2p底层
• msgQueue － 普通Whisper消息的envelope处理通道

在以太坊源码分析—p2p节点发现与协议运行提到过，两个节点在底层链接创建后，会运行共同支持的协议的Run函数，对于Whisper协议来讲，就是HandlerPeer函数。

HandlePeer最终运行在两个Go routine中，一个是Whisper.runMessageLoop(),它负责从底层读取消息，另外一个是Peer.update()，它负责周期性的将envelope池中的未发送的envelope发送到对端并将过时的envelope删除。

Envelope

Envelope表示一个Whisper消息，它有两个来源

1. 出方向经过NewEnvelope()构造
2. 入方向从Peer节点接收

其重要的字段有

• Topic － Envelope中的数据的主题，节点的Filter能够过滤感兴趣的主题进行解密
• EnvNonce － 消息的建立者在PoW中找到的nonce
• pow － 消息具备的pow值

消息发送的典型过程

如下是本节点广播发送一小段数据payload，封装到Envelope，再加入到Envelope池的过程，其中wh表示Whisper实例

1. 首先构造发送参数，包括原始数据payload，主题Topic等
2. 利用发送参数构造SentMessage
3. 根据发送参数将SentMessage封装到新建立的Envelope，这一步包括签名(sign)加密(encrypt)计算nonce(Seal)
4. 将Envelope加入Envelope池

消息接收的典型过程

如下是典型的Whisper消息接收过程，其中w表示Whisper实例

• w.runMessageLoop()从底层收到Whisper消息，并解码成Envelope,加入Envelope池，调用postEvent()向w.messageQueue写入这个事件
• 另外一方面，当w经过Start启动后，从w.messageQueue接收事件，开始Filter匹配
• 用已安装的每一个Filter去匹配这个Envelope，若是匹配上，就将Envelope打开(解密)，最终将其放入Filter的缓冲区中。

demo

写了一个whipser的chat-room demo，托管在github上，感兴趣能够瞧瞧