采用Kad算法构建的p2p网络不仅可以提供给区块链应用使用，也可以提供给其他的分布式应用使用，以太坊2.0就计划使用libp2p库构建kad网络，同时libp2p也是分布式文件系统ipfs所使用的底层网络库。我们也可以基于这个kad网络构建自己的区块链系统，这就好比电脑连接一条网线以后可以听歌，打游戏，浏览网页，而kad网络就是这根网线。
以采用Kad算法构建的网络作为基础，可以在其之上创建不同的子协议来支持不同的应用。
以太坊的P2P网络也确实是这样做的，如果将以太坊的P2P类比做tcp协议，那么p2p暴露出来的子协议就类似HTTP。以太坊在这种支持子协议的P2P网络基础上构建出了自己的whisper网络用以支持以太坊运行。
在以太坊启动子协议前，需要对整个网络总体进行配置；
srv := p2p.Server{
Config: p2p.Config{
MaxPeers: 10,
PrivateKey: nodekey,
Name: "NodeName",
ListenAddr: ":30300",
Protocols: []p2p.Protocol{},
NAT: nat.Any(), // 支持内网穿透
Logger: log.New(),
},
}在启动子协议前，首先需要对网络层的Server进行配置，其中包括最多可以连接的节点数量，本节点的私钥等，等配置完成之后就可以建立节点间的连接了。
以太坊中，所有的RLPx子协议都是基于这条连接的，整体关系如下图；
当需要自定义子协议的时候，只需要按照以太坊子协议规范定义一个一个结构体即可；
func MyProtocol() p2p.Protocol {
return p2p.Protocol{ // 1.
Name: "MyProtocol", // 2.
Version: 1, // 3.
Length: 1, // 4.
Run: func(peer *p2p.Peer, ws p2p.MsgReadWriter) error { return nil }, // 5.
}
}Name：一个子协议即一个p2p.Protocol；Version：子协议名，需要唯一标识该子协议版本号，当一个子协议有多个版本时，采纳最高版本的协议；Length：该协议拥有的消息类型个数，p2p的handler需要知道应该预留多少空间以用来服务你的协议。这是也是共识信息能够通过message ID到达各个peer并实现协商的保障。Run：当在以太坊p2p的server启动的时候会调用这个方法来启动子协议，子协议启动以后需要这个方法来处理消息。
其中的Length表示一个子协议有多少消息，结合状态码来分发消息，比如子协议1的长度是13，表示有13个消息，其消息中可以使用的code就是0-12，当p2p server收到一个消息时，通过查看code就可以将消息分发给对应的子协议来处理，多子协议如下图所示；
这样就实现了在一条TCP连接上支持多种协议，避免了为每个子协议建立多个连接所带来的消耗。在以太坊中，所有数据在传输前都需要经过RLP编码以减少消息体积，这也是RLPx协议名称的由来。
随着子协议的增加，这个子网络中的消息也越来越多，但是一部分节点只关注特定的消息，其余的消息对它来说只能是负担。whisper协议对上层暴露出一套类似于订阅-发布的API模型，节点可以申请自己感兴趣的topic，那么就只会接收到这些topic的消息，无关主题的消息将被丢弃。在这套体系内，有几个基础构件需要说明下:
envelope即信封是whisper网络节点传输数据的基本形式。信封包含了加密的数据体和明文的元数据，元数据主要用于基本的消息校验和消息体的解密。
信封是以RLP编码的格式传输[ Version, Expiry, TTL, Topic, AESNonce, Data, EnvNonce ]
- Version：最多4字节(目前仅使用了1字节)，如果信封的Version比本节点当前值高,将无法解密,仅做转发
- Expiry：4字节（unix时间戳秒数）,过期时间
- TTL：4字节,剩余存活时间秒数
- Topic：4字节,信封主题
- AESNonce：12字节随机数据,仅在对称加密时有效
- Data：消息体
- EnvNonce：8字节任意数据(用于PoW计算)
如果节点无法解密信封，那么节点对信封内的消息内容一无所知，但这并不影响节点将消息进行转发扩散。当发送一个消息的时候需要进行PoW工作量证明，节点要做一些计算，消耗一定的时间和计算资源，避免一个节点无限制的发送垃圾消息，降低网络负担。计算PoW所付出的代价可以理解为抵扣节点为传播和存储信息所花费的资源。
在whisperv5中,PoW定义为:
PoW = (2^BestBit) / (size * TTL)
- BestBit是hash计算值的前导0个数
- size是消息大小
- TTL剩余存活时间秒数
whisper节点发送消息需要经过创建消息whisper.NewSentMessage()—->封装入信封msg.Wrap(msg)—->发送消息shh.Send()，消息的工作量证明就在第二步装入信封的时候进行计算。
Warp函数最终调用Seal:
github.com/ethereum/go-ethereum/whisper/whisperv5/envelope.go
func (e *Envelope) Seal(options *MessageParams) error {
var target, bestBit int // target是需要达到的目标前置0位数
if options.PoW == 0 {
// 将消息过期时间调整到工作量计算完成后
e.Expiry += options.WorkTime
} else {
// 根据公式 PoW = (2^BestBit) / (size * TTL) 从预设的PoW阈值反解出BestBit
target = e.powToFirstBit(options.PoW)
if target < 1 {
target = 1
}
}
buf := make([]byte, 64)
// Keccak256是SHA-3的一种,Keccak已可以抵御最小的复杂度为2n的攻击，其中N为散列的大小。它具有广泛的安全边际。至目前为止，第三方密码分析已经显示出Keccak没有严重的弱点
h := crypto.Keccak256(e.rlpWithoutNonce())
copy(buf[:32], h)
finish := time.Now().Add(time.Duration(options.WorkTime) * time.Second).UnixNano()
for nonce := uint64(0); time.Now().UnixNano() < finish; {
for i := 0; i < 1024; i++ {
// 暴力尝试nonce值
binary.BigEndian.PutUint64(buf[56:], nonce)
d := new(big.Int).SetBytes(crypto.Keccak256(buf))
firstBit := math.FirstBitSet(d)
if firstBit > bestBit {
e.EnvNonce, bestBit = nonce, firstBit
// 当尝试得到满足条件的EnvNonce,计算完成
if target > 0 && bestBit >= target {
return nil
}
}
nonce++
}
}
if target > 0 && bestBit < target {
return fmt.Errorf("failed to reach the PoW target, specified pow time (%d seconds) was insufficient", options.WorkTime)
}
return nil
}whisper协议的实现位于包github.com/ethereum/go-ethereum/whisper，该包下面有多个版本实现,目前最新协议包是whisperv6.
whisper节点启动后产生两个分支:
一个分支负责清理shh.envelopes中的过期消息 另一个分支(proccessQueue)从两个队列取出新接收到的消息，根据消息对应topic投放(Trigger)到对应接收者(filter)，从而交付给上层应用进行处理 补充说下whisper里两个队列messageQueue，p2pMsgQueue的不同作用，messageQueue接收普通的广播消息，p2pMsgQueue接收点对点的直接消息，可绕过pow和ttl限制。
whisper协议的具体实现里，代码流程也非常清晰:
每个peer连接成功后，产生两个goroutine，进行消息接收和广播:
- 接收消息协程不断从连接中读取新消息，并且将消息暂存到shh.envelopes中，如果发现是一条未接收过的新消息，则将消息转发到对应的队列(messageQueue,p2pMsgQueue)
- 广播协程负责将该peer未接收过的消息(本节点认为该peer未接收过,并非peer一定没接收过，p2p网络其他节点可能已经将消息广播到该节点了)投递到该节点
经过一系列精心设计后，我们的网络架构可以连接大量的节点，支持多种子协议运行，具有一定的鲁棒性，即可全网广播消息，又可以单点通信，可以说是一种非常完善的网络架构，足以支持我们在这个网络上构建可靠的区块链系统。