比特币采用了基于国际互联网（Internet）的P2P（peer-to-peer）网络架构。P2P是指位于同一网络中的每台计算机都彼此对等，各个节点共同提供网络服务，不存在任何“特殊”节点。每个网络节点以“扁平（flat）”的拓扑结构相互连通。在P2P网络中不存在任何服务端（server）、中央化的服务、以及层级结构。P2P网络的节点之间交互运作、协同处理：每个节点在对外提供服务的同时也使用网络中其他节点所提供的服务。

    P2P网络也因此具有可靠性、去中心化，以及开放性。

    早期的国际互联网就是P2P网络架构的一个典型用例：IP网络中的各个节点完全平等。当今的互联网架构具有分层架构，但是IP协议仍然保留了扁平拓扑的结构。在比特币之外，规模最大也最成功的P2P技术应用是在文件分享领域：Napster是该领域的先锋，BitTorrent是其架构的最新演变。

    比特币所采用的P2P网络架构不仅仅是选择拓扑结构这样简单。比特币被设计为一种点对点的数字现金系统，它的网络架构既是这种核心特性的反映，也是该特性的基石。去中心化控制是设计时的核心原则，它只能通过维持一种扁平化、去中心化的P2P共识网络来实现。

    “比特币网络”是按照比特币P2P协议运行的一系列节点的集合。除了比特币P2P协议之外，比特币网络中也包含其他协议。例如Stratum协议就被应用于挖矿、以及轻量级或移动端比特币钱包之中。网关（gateway）路由服务器提供这些协议，使用比特币P2P协议接入比特币网络，并把网络拓展到运行其他协议的各个节点。例如，Stratum服务器通过Stratum协议将所有的Stratum挖矿节点连接至比特币主网络、并将Stratum协议桥接（bridge）至比特币P2P协议之上。我们使用“扩展比特币网络（extended bitcoin network）”指代所有包含比特币P2P协议、矿池挖矿协议、Stratum协议以及其他连接比特币系统组件相关协议的整体网络结构。

尽管比特币P2P网络中的各个节点相互对等，但是根据所提供的功能不同，各节点可能具有不同的分工。每个比特币节点都是路由、区块链数据库、挖矿、钱包服务的功能集合。一个全节点（full node）包括如图6-1所示的四个功能：

图6-1 一个包含四个完整功能的比特币网络节点：钱包、矿工、完整区块链、网络路由节点 

        每个节点都参与全网络的路由功能，同时也可能包含其他功能。每个节点都参与验证并传播交易及区块信息，发现并维持与对等节点的连接。在图6-1所示的全节点用例中，名为“网络路由节点”的橙色圆圈即表示该路由功能。

    一些节点保有一份完整的、最新的区块链拷贝，这样的节点被称为“全节点”。全节点能够独立自主地校验所有交易，而不需借由任何外部参照。另外还有一些节点只保留了区块链的一部分，它们通过一种名为“简易支付验证（SPV）”的方式来完成交易验证。这样的节点被称为“SPV节点”，又叫“轻量级节点”。在如上图所示的全节点用例中，名为完整区块链的蓝色圆圈即表示了全节点区块链数据库功能。在图6-3中，SPV节点没有此蓝色圆圈，以示它们没有区块链的完整拷贝。

    挖矿节点通过运行在特殊硬件设备上的工作量证明（proof-of-work）算法，以相互竞争的方式创建新的区块。一些挖矿节点同时也是全节点，保有区块链的完整拷贝；还有一些参与矿池挖矿的节点是轻量级节点，它们必须依赖矿池服务器维护的全节点进行工作。在全节点用例中，挖矿功能如图中名为“矿工”的黑色圆圈所示。

    用户钱包也可以作为全节点的一部分，这在桌面比特币客户端中比较常见。当前，越来越多的用户钱包都是SPV节点，尤其是运行于诸如智能手机等资源受限设备上的比特币钱包应用；而这正变得越来越普遍。在图6-1中，名为“钱包”的绿色圆圈代表钱包功能。

在比特币P2P协议中，除了这些主要的节点类型之外，还有一些服务器及节点也在运行着其他协议，例如特殊矿池挖矿协议、轻量级客户端访问协议等。

图6-2描述了扩展比特币网络中最为常见的节点类型。

图6-2 扩展比特币网络的不同节点类型

        运行比特币P2P协议的比特币主网络由大约7000-10000个运行着不同版本比特币核心客户端（Bitcoin Core）的监听节点、以及几百个运行着各类比特币P2P协议的应用（例如BitcoinJ、Libbitcoin、btcd等）的节点组成。比特币P2P网络中的一小部分节点也是挖矿节点，它们竞争挖矿、验证交易、并创建新的区块。许多连接到比特币网络的大型公司运行着基于Bitcoin核心客户端的全节点客户端，它们具有区块链的完整拷贝及网络节点，但不具备挖矿及钱包功能。这些节点是网络中的边缘路由器（edge routers），通过它们可以搭建其他服务，例如交易所、钱包、区块浏览器、商家支付处理（merchant payment processing）等。

        如前文所述，扩展比特币网络既包括了运行比特币P2P协议的网络，又包含运行特殊协议的网络节点。比特币P2P主网络上连接着许多矿池服务器以及协议网关，它们把运行其他协议的节点连接起来。这些节点通常都是矿池挖矿节点（参见第8章）以及轻量级钱包客户端，它们通常不具备区块链的完整备份。

图6-3描述了扩展比特币网络，它包括了多种类型的节点、网关服务器、边缘路由器、钱包客户端以及它们相互连接所需的各类协议。

图6-3 具有多种节点类型、网关及协议的扩展比特币网络

    当新的网络节点启动后，为了能够参与协同运作，它必须发现网络中的其他比特币节点。新的网络节点必须发现至少一个网络中存在的节点并建立连接。由于比特币网络的拓扑结构并不基于节点间的地理位置，因此各个节点之间的地理信息完全无关。在新节点连接时，可以随机选择网络中存在的比特币节点与之相连。

    节点通常采用TCP协议、使用8333端口（该端口号通常是比特币所使用的，除8333端口外也可以指定使用其他端口）与已知的对等节点建立连接。在建立连接时，该节点会通过发送一条包含基本认证内容的version消息开始“握手”通信过程(见图6-4)。这一过程包括如下内容：

    网络中的对等节点通过对verack消息的响应进行确认并建立连接；有时候，如果接收节点需要互换连接并连回起始节点，也会传回该对等节点的version消息。

    新节点是如何发现网络中的对等节点的呢？虽然比特币网络中没有特殊节点，但是客户端会维持一个列表，那里列出了那些长期稳定运行的节点。这样的节点被称为“种子节点（seed nodes）”。新节点并不一定需要与种子节点建立连接，但连接到种子节点的好处是可以通过种子节点来快速发现网络中的其他节点。在比特币核心客户端中，是否使用种子节点是通过“-dnsseed”控制的。

图6-4 对等节点之间的初始“握手”通信

    当建立一个或多个连接后，新节点将一条包含自身IP地址的addr消息发送给其相邻节点。相邻节点再将此条addr消息依次转发给它们各自的相邻节点，从而保证新节点信息被多个节点所接收、保证连接更稳定。另外，新接入的节点可以向它的相邻节点发送getaddr消息，要求它们返回其已知对等节点的IP地址列表。通过这种方式，节点可以找到需连接到的对等节点，并向网络发布它的消息以便其他节点查找。图6-5描述了这种地址发现协议。

图6-5 地址广播及发现

        节点必须连接到若干不同的对等节点才能在比特币网络中建立通向比特币网络的种类各异的路径（path）。由于节点可以随时加入和离开，通讯路径是不可靠的。因此，节点必须持续进行两项工作：在失去已有连接时发现新节点，并在其他节点启动时为其提供帮助。节点启动时只需要一个连接，因为第一个节点可以将它引荐给它的对等节点，而这些节点又会进一步提供引荐。一个节点，如果连接到大量的其他对等节点，这既没必要，也是对网络资源的浪费。在启动完成后，节点会记住它最近成功连接的对等节点；因此，当重新启动后它可以迅速与先前的对等节点网络重新建立连接。如果先前的网络的对等节点对连接请求无应答，该节点可以使用种子节点进行重启动。

        如果已建立的连接没有数据通信，所在的节点会定期发送信息以维持连接。如果节点持续某个连接长达90分钟没有任何通信，它会被认为已经从网络中断开，网络将开始查找一个新的对等节点。因此，比特币网络会随时根据变化的节点及网络问题进行动态调整，不需经过中心化的控制即可进行规模增、减的有机调整。

        全节点是指维持包含全部交易信息的完整区块链的节点。更加准确地说，这样的节点应当被称为完整区块链节点”。在比特币发展的早期，所有节点都是全节点；当前的比特币核心客户端也是完整区块链节点。但在过去的两年中出现了许多新型客户端，它们不需要维持完整的区块链，而是作为轻量级客户端运行。在下面的章节里我们会对这些轻量级客户端进行详细介绍。

        完整区块链节点保有完整的、最新的包含全部交易信息的比特币区块链拷贝，这样的节点可以独立地进行建立并校验区块链，从第一区块（创世区块）一直建立到网络中最新的区块。完整区块链节点可以独立自主地校验任何交易信息，而不需要借助任何其他节点或其他信息来源。完整区块节点通过比特币网络获取包含交易信息的新区块更新，在验证无误后将此更新合并至本地的区块链拷贝之中。

        运行完整区块链节点可以给您一种纯粹的比特币体验：不需借助或信任其他系统即可独立地对所有交易信息进行验证。辨别您是否在运行全节点是十分容易的：只需要查看您的永久性存储设备（如硬盘）是否有超过20GB的空间被用来存储完整区块链即可。如果您需要很大的磁盘空间、并且同步比特币网络耗时2至3天，那么您使用的正是全节点。这就是摆脱中心化管理、获得完全的独立自由所要付出的代价。

        尽管目前还有一些使用不同编程语言及软件架构的其他的完整区块链客户端存在，但是最常用的仍然是比特币核心客户端，它也被称为“Satoshi客户端”。比特币网络中超过90%的节点运行着各个版本的比特币核心客户端。如前文所述，它可以通过节点间发送的version消息或通过getpeerinfo命令所得到的子版本字符串“Satoshi”加以辨识，例如 /Satoshi: 0.8.6/。

一个全节点连接到对等节点之后，第一件要做的事情就是构建完整的区块链。如果该节点是一个全新节点，那么它就不包含任何区块链信息，它只知道一个区块——静态植入在客户端软件中的创世区块。新节点需要下载从0号区块（创世区块）开始的数十万区块的全部内容，才能跟网络同步、并重建全区块链。

同步区块链的过程从发送version消息开始，这是因为该消息中含有的BestHeight字段标示了一个节点当前的区块链高度（区块数量）。节点可以从它的对等节点中得到版本消息，了解双方各自有多少区块，从而可以与其自身区块链所拥有的区块数量进行比较。对等节点们会交换一个getblocks消息，其中包含他们本地区块链的顶端区块哈希值。如果某个对等节点识别出它接收到的哈希值并不属于顶端区块，而是属于一个非顶端区块的旧区块，那么它就能推断出：其自身的本地区块链比其他对等节点的区块链更长。

拥有更长区块链的对等节点比其他节点有