Peer-to-Peer Networks Explained

Binance Academy · 2022-11-05T01:43:01.000Z

What is peer-to-peer (P2P)? In computer science, a peer-to-peer (P2P) network consists of a group of devices that collectively store and share files. Each participant (node) acts as an individual peer. Typically, all nodes have equal power and perform the same tasks. In financial technology, the term peer-to-peer usually refers to the exchange of cryptocurrencies or digital assets via a distributed network. A P2P platform allows buyers and sellers to execute trades without the need for intermediaries. In some cases, websites may also provide a P2P environment that connects lenders and borrowers. P2P architecture can be suitable for various use cases, but it became particularly popular in the 1990s when the first file-sharing programs were created. Today, P2P networks are at the core of most cryptocurrencies, making up a great portion of the blockchain industry. However, they are also leveraged in other distributed computing applications, including web search engines, streaming platforms, online marketplaces, and the InterPlanetary File System (IPFS) web protocol. How does P2P work? In essence, a P2P system is maintained by a distributed network of users. Usually, they have no central administrator or server because each node holds a copy of the files - acting both as a client and as a server to other nodes. Thus, each node can download files from other nodes or upload files to them. This is what differentiates P2P networks from the more traditional client-server systems, in which client devices download files from a centralized server. On P2P networks, the connected devices share files that are stored on their hard drives. Using software applications designed to mediate the sharing of data, users can query other devices on the network to find and download files. Once a user has downloaded a given file, they can then act as a source of that file. Put in another way, when a node acts as a client, they download files from other network nodes. But when they are working as a server, they are the source from which other nodes can download files. In practice, though, both functions can be executed at the same time (e.g., downloading file A, and uploading file B). Since every node stores, transmits and receives files, P2P networks tend to be faster and more efficient as their user base grows larger. Also, their distributed architecture makes P2P systems very resistant to cyberattacks. Unlike traditional models, P2P networks don’t have a single point of failure. We may categorize peer-to-peer systems according to their architecture. The three main types are called unstructured, structured, and hybrid P2P networks. Unstructured P2P networks Unstructured P2P networks don’t present any specific organization of the nodes. The participants communicate randomly with one another. These systems are considered robust against high churn activity (i.e., several nodes frequently joining and leaving the network). Although easier to build, unstructured P2P networks may require higher CPU and memory usage because search queries are sent out to the highest number of peers possible. This tends to flood the network with queries, especially if a small number of nodes is offering the desired content. Structured P2P networks In contrast, structured P2P networks present an organized architecture, allowing nodes to efficiently search for files, even if the content is not widely available. In most cases, this is achieved through the use of hash functions that facilitate database lookups. While structured networks may be more efficient, they tend to present higher levels of centralization, and usually require higher setup and maintenance costs. Other than that, structured networks are less robust when faced with high rates of churn. Hybrid P2P networks Hybrid P2P networks combine the conventional client-server model with some aspects of the peer-to-peer architecture. For instance, its design may contain a central server that facilitates the connection between peers. When compared to the other two types, hybrid models tend to present improved overall performance. They usually combine some of the main advantages of each approach, achieving significant degrees of efficiency and decentralization simultaneously. Distributed vs. decentralized Although the P2P architecture is inherently distributed, it’s important to note that there are varying degrees of decentralization. So, not all P2P networks are decentralized. In fact, many systems rely on a central authority to guide the network activity, making them somewhat centralized. For instance, some P2P file-sharing systems allow users to search and download files from other users, but they are unable to participate in other processes, like managing search queries. In addition, small networks controlled by a limited user base with shared goals could also be said to have a higher degree of centralization, despite the lack of a centralized network infrastructure. The role of P2P in blockchains In the early stages of Bitcoin, Satoshi Nakamoto defined it as a “Peer-to-Peer Electronic Cash System.” Bitcoin was created as a digital form of money. It can be transferred from one user to another through a P2P network, which manages a distributed ledger called blockchain. In this context, the P2P architecture that is inherent to blockchain technology is what allows bitcoin and other cryptocurrencies to be transferred worldwide, without the need for intermediaries nor any central server. Also, anyone can set up a Bitcoin node if they wish to participate in the process of verifying and validating blocks. So, there are no banks processing or recording transactions in the Bitcoin network. Instead, the blockchain acts as a digital ledger that publicly records all activity. Basically, each node holds a copy of the blockchain and compares it to other nodes to ensure the data is accurate. The network quickly rejects any malicious activity or inaccuracy. In the context of cryptocurrency blockchains, nodes can take on a variety of different roles. Full nodes, for example, are the ones that provide security to the network by verifying transactions against the system’s consensus rules. Each full node maintains a complete, updated copy of the blockchain - allowing them to participate in the collective work of verifying the true state of the distributed ledger. It’s worth noting, though, that not all full validating nodes are miners. Advantages The peer-to-peer architecture of blockchains provides many benefits. Among the most important is the fact that P2P networks offer greater security than traditional client-server arrangements. The distribution of blockchains over large numbers of nodes renders them virtually immune to the Denial-of-Service (DoS) attacks that plague numerous systems. Likewise, because a majority of nodes must establish consensus before data is added to a blockchain, it's almost impossible for an attacker to alter the data. This is especially true for big networks like the one of Bitcoin. Smaller blockchains are more susceptible to attacks because one person or group could eventually achieve control over a majority of nodes (this is known as a 51 percent attack). As a result, the distributed peer-to-peer network, paired with a majority consensus requirement, gives blockchains a relatively high degree of resistance to malicious activity. The P2P model is one of the reasons why Bitcoin (and other blockchains) were able to achieve the so-called Byzantine fault tolerance. Beyond security, the use of P2P architecture in cryptocurrency blockchains also renders them resistant to censorship by central authorities. Unlike standard bank accounts, cryptocurrency wallets can’t be frozen or drained by governments. This resistance also extends to censorship efforts by private payment processing and content platforms. Some content creators and online merchants adopted cryptocurrency payments as a way to avoid having their payments blocked by third parties. Limitations Despite their many advantages, the use of P2P networks on blockchains also has certain limitations. Because distributed ledgers must be updated on every single node instead of on a central server, adding transactions to a blockchain requires a massive amount of computing power. While this provides increased security, it greatly reduces efficiency and is one of the main obstacles when it comes to scalability and widespread adoption. Nonetheless, cryptographers and blockchain developers are investigating alternatives that may be used as scaling solutions. Prominent examples include the Lightning Network, Ethereum Plasma, and the Mimblewimble protocol. Another potential limitation relates to attacks that may arise during hard fork events. Since most blockchains are decentralized and open source, groups of nodes are free to copy and modify the code and split away from the main chain to form a new, parallel network. Hard forks are completely normal and not a threat on their own. But if certain security methods are not adopted properly, both chains may become vulnerable to replay attacks. Moreover, the distributed nature of P2P networks makes them relatively difficult to control and regulate, not only in the blockchain niche. Several P2P applications and companies got involved with illegal activities and copyright infringements. Closing thoughts Peer-to-peer architecture can be developed and used in many different ways, and it is at the core of the blockchains that make cryptocurrencies possible. By distributing transaction ledgers across large networks of nodes, P2P architecture offers security, decentralization, and censorship resistance. In addition to their usefulness in blockchain technology, P2P systems can also serve other distributed computing applications, ranging from file-sharing networks to energy trading platforms.

Was ist Peer-to-Peer (P2P)?In der Informatik besteht ein Peer-to-Peer-Netzwerk (P2P) aus einer Gruppe von Geräten, die gemeinsam Dateien speichern und teilen. Jeder Teilnehmer (Knoten) fungiert als einzelner Peer. Normalerweise haben alle Knoten die gleiche Leistung und führen die gleichen Aufgaben aus.
In der Finanztechnologie bezeichnet der Begriff Peer-to-Peer meist den Austausch von Kryptowährungen oder digitalen Vermögenswerten über ein verteiltes Netzwerk. Eine P2P-Plattform ermöglicht es Käufern und Verkäufern, Geschäfte abzuwickeln, ohne dass Zwischenhändler erforderlich sind. In einigen Fällen bieten Websites möglicherweise auch eine P2P-Umgebung, die Kreditgeber und Kreditnehmer miteinander verbindet.
Die P2P-Architektur kann für verschiedene Anwendungsfälle geeignet sein, wurde aber besonders in den 1990er Jahren populär, als die ersten Filesharing-Programme entwickelt wurden. Heute bilden P2P-Netzwerke den Kern der meisten Kryptowährungen und machen einen großen Teil der Blockchain-Industrie aus. Sie werden jedoch auch in anderen verteilten Computeranwendungen genutzt, darunter Websuchmaschinen, Streaming-Plattformen, Online-Marktplätze und das Webprotokoll InterPlanetary File System (IPFS).

Wie funktioniert P2P?Im Wesentlichen wird ein P2P-System von einem verteilten Netzwerk von Benutzern verwaltet. Normalerweise gibt es keinen zentralen Administrator oder Server, da jeder Knoten eine Kopie der Dateien besitzt und sowohl als Client als auch als Server für andere Knoten fungiert. Somit kann jeder Knoten Dateien von anderen Knoten herunterladen oder auf sie hochladen. Dies unterscheidet P2P-Netzwerke von den traditionelleren Client-Server-Systemen, bei denen Client-Geräte Dateien von einem zentralen Server herunterladen.
In P2P-Netzwerken teilen die verbundenen Geräte Dateien, die auf ihren Festplatten gespeichert sind. Mithilfe von Softwareanwendungen, die den Datenaustausch vermitteln sollen, können Benutzer andere Geräte im Netzwerk abfragen, um Dateien zu finden und herunterzuladen. Sobald ein Benutzer eine bestimmte Datei heruntergeladen hat, kann er als Quelle dieser Datei fungieren.
Anders ausgedrückt: Wenn ein Knoten als Client fungiert, lädt er Dateien von anderen Netzwerkknoten herunter. Wenn er jedoch als Server arbeitet, ist er die Quelle, von der andere Knoten Dateien herunterladen können. In der Praxis können jedoch beide Funktionen gleichzeitig ausgeführt werden (z. B. Herunterladen von Datei A und Hochladen von Datei B).
Da jeder Knoten Dateien speichert, überträgt und empfängt, werden P2P-Netzwerke tendenziell schneller und effizienter, je größer ihre Benutzerbasis wird. Darüber hinaus macht ihre verteilte Architektur P2P-Systeme sehr widerstandsfähig gegen Cyberangriffe. Im Gegensatz zu herkömmlichen Modellen haben P2P-Netzwerke keinen einzelnen Ausfallpunkt.
Wir können Peer-to-Peer-Systeme nach ihrer Architektur kategorisieren. Die drei Haupttypen heißen unstrukturierte, strukturierte und hybride P2P-Netzwerke.

Unstrukturierte P2P-NetzwerkeUnstrukturierte P2P-Netzwerke weisen keine spezifische Organisation der Knoten auf. Die Teilnehmer kommunizieren zufällig miteinander. Diese Systeme gelten als robust gegenüber hoher Fluktuationsaktivität (d. h. mehrere Knoten treten dem Netzwerk häufig bei und verlassen es wieder).
Obwohl der Aufbau unstrukturierter P2P-Netzwerke einfacher ist, kann die CPU-Auslastung und der Arbeitsspeicher höher sein, da Suchanfragen an die größtmögliche Anzahl von Peers gesendet werden. Dies führt dazu, dass das Netzwerk mit Anfragen überflutet wird, insbesondere wenn nur eine kleine Anzahl von Knoten den gewünschten Inhalt anbietet.

Strukturierte P2P-NetzwerkeIm Gegensatz dazu weisen strukturierte P2P-Netzwerke eine organisierte Architektur auf, die es Knoten ermöglicht, effizient nach Dateien zu suchen, selbst wenn der Inhalt nicht überall verfügbar ist. In den meisten Fällen wird dies durch die Verwendung von Hash-Funktionen erreicht, die Datenbanksuchen erleichtern.
Strukturierte Netzwerke sind zwar möglicherweise effizienter, weisen jedoch tendenziell einen höheren Zentralisierungsgrad auf und erfordern in der Regel höhere Einrichtungs- und Wartungskosten. Darüber hinaus sind strukturierte Netzwerke weniger robust, wenn sie mit hohen Fluktuationsraten konfrontiert sind.

Hybride P2P-NetzwerkeHybride P2P-Netzwerke kombinieren das herkömmliche Client-Server-Modell mit einigen Aspekten der Peer-to-Peer-Architektur. Ihr Design kann beispielsweise einen zentralen Server enthalten, der die Verbindung zwischen Peers erleichtert.
Im Vergleich zu den anderen beiden Typen weisen Hybridmodelle tendenziell eine verbesserte Gesamtleistung auf. Sie kombinieren in der Regel einige der Hauptvorteile jedes Ansatzes und erreichen gleichzeitig ein hohes Maß an Effizienz und Dezentralisierung.

Verteilt vs. dezentralisiertObwohl die P2P-Architektur grundsätzlich verteilt ist, muss man wissen, dass es unterschiedliche Grade der Dezentralisierung gibt. Daher sind nicht alle P2P-Netzwerke dezentralisiert.
Tatsächlich verlassen sich viele Systeme auf eine zentrale Autorität, die die Netzwerkaktivität steuert, was sie gewissermaßen zentralisiert. Einige P2P-Filesharing-Systeme beispielsweise ermöglichen es Benutzern, Dateien anderer Benutzer zu suchen und herunterzuladen, sie können jedoch nicht an anderen Prozessen teilnehmen, wie etwa an der Verwaltung von Suchanfragen.
Zudem kann man sagen, dass kleine Netzwerke, die von einer begrenzten Benutzerbasis mit gemeinsamen Zielen kontrolliert werden, trotz des Fehlens einer zentralisierten Netzwerkinfrastruktur auch einen höheren Zentralisierungsgrad aufweisen.

Die Rolle von P2P in BlockchainsIn den frühen Phasen von Bitcoin definierte Satoshi Nakamoto es als „Peer-to-Peer-Elektronisches-Bargeld-System“. Bitcoin wurde als digitale Form von Geld geschaffen. Es kann über ein P2P-Netzwerk, das ein verteiltes Hauptbuch namens Blockchain verwaltet, von einem Benutzer zum anderen übertragen werden.
In diesem Zusammenhang ermöglicht die der Blockchain-Technologie inhärente P2P-Architektur den weltweiten Transfer von Bitcoin und anderen Kryptowährungen, ohne dass Vermittler oder zentrale Server erforderlich sind. Außerdem kann jeder einen Bitcoin-Knoten einrichten, wenn er am Prozess der Überprüfung und Validierung von Blöcken teilnehmen möchte.
Es gibt also keine Banken, die Transaktionen im Bitcoin-Netzwerk verarbeiten oder aufzeichnen. Stattdessen fungiert die Blockchain als digitales Hauptbuch, das alle Aktivitäten öffentlich aufzeichnet. Grundsätzlich besitzt jeder Knoten eine Kopie der Blockchain und vergleicht sie mit anderen Knoten, um sicherzustellen, dass die Daten korrekt sind. Das Netzwerk weist böswillige Aktivitäten oder Ungenauigkeiten schnell zurück.
Im Kontext von Kryptowährungs-Blockchains können Knoten eine Vielzahl unterschiedlicher Rollen übernehmen. Vollständige Knoten sind beispielsweise diejenigen, die dem Netzwerk Sicherheit verleihen, indem sie Transaktionen anhand der Konsensregeln des Systems verifizieren.
Jeder vollständige Knoten verwaltet eine vollständige, aktualisierte Kopie der Blockchain, sodass sie an der gemeinsamen Arbeit zur Überprüfung des wahren Zustands des verteilten Ledgers teilnehmen können. Es ist jedoch erwähnenswert, dass nicht alle vollständigen Validierungsknoten Miner sind.

VorteileDie Peer-to-Peer-Architektur von Blockchains bietet viele Vorteile. Einer der wichtigsten ist die Tatsache, dass P2P-Netzwerke mehr Sicherheit bieten als herkömmliche Client-Server-Anordnungen. Die Verteilung von Blockchains auf eine große Anzahl von Knoten macht sie praktisch immun gegen Denial-of-Service-Angriffe (DoS), die zahlreiche Systeme plagen.
Da eine Mehrheit der Knoten einen Konsens herstellen muss, bevor Daten zu einer Blockchain hinzugefügt werden, ist es für einen Angreifer fast unmöglich, die Daten zu ändern. Dies gilt insbesondere für große Netzwerke wie das von Bitcoin. Kleinere Blockchains sind anfälliger für Angriffe, da eine Person oder Gruppe schließlich die Kontrolle über eine Mehrheit der Knoten erlangen könnte (dies wird als 51-Prozent-Angriff bezeichnet).
Infolgedessen verleiht das verteilte Peer-to-Peer-Netzwerk, gepaart mit der Anforderung eines Mehrheitskonsenses, Blockchains ein relativ hohes Maß an Widerstandsfähigkeit gegen böswillige Aktivitäten. Das P2P-Modell ist einer der Gründe, warum Bitcoin (und andere Blockchains) die sogenannte byzantinische Fehlertoleranz erreichen konnten.
Über die Sicherheit hinaus macht die Verwendung der P2P-Architektur in Kryptowährungs-Blockchains diese auch resistent gegen Zensur durch zentrale Behörden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bankkonten können Kryptowährungs-Wallets nicht von Regierungen eingefroren oder geleert werden. Diese Resistenz erstreckt sich auch auf Zensurbemühungen privater Zahlungsabwicklungs- und Inhaltsplattformen. Einige Inhaltsersteller und Online-Händler haben Kryptowährungszahlungen eingeführt, um zu vermeiden, dass ihre Zahlungen von Dritten blockiert werden.

EinschränkungenTrotz ihrer vielen Vorteile ist die Verwendung von P2P-Netzwerken auf Blockchains auch mit gewissen Einschränkungen verbunden.
Da verteilte Hauptbücher auf jedem einzelnen Knoten und nicht auf einem zentralen Server aktualisiert werden müssen, erfordert das Hinzufügen von Transaktionen zu einer Blockchain enorme Rechenleistung. Dies bietet zwar mehr Sicherheit, verringert jedoch die Effizienz erheblich und ist eines der Haupthindernisse für Skalierbarkeit und breite Akzeptanz. Dennoch untersuchen Kryptographen und Blockchain-Entwickler Alternativen, die als Skalierungslösungen verwendet werden können. Bekannte Beispiele sind das Lightning Network, Ethereum Plasma und das Mimblewimble-Protokoll.
Eine weitere mögliche Einschränkung betrifft Angriffe, die während Hard-Fork-Ereignissen auftreten können. Da die meisten Blockchains dezentralisiert und Open Source sind, können Knotengruppen den Code frei kopieren und ändern und sich von der Hauptkette abspalten, um ein neues, paralleles Netzwerk zu bilden. Hard Forks sind völlig normal und stellen an sich keine Bedrohung dar. Wenn jedoch bestimmte Sicherheitsmethoden nicht richtig angewendet werden, können beide Ketten anfällig für Replay-Angriffe werden.
Darüber hinaus sind P2P-Netzwerke aufgrund ihrer verteilten Natur relativ schwer zu kontrollieren und zu regulieren, nicht nur in der Blockchain-Nische. Mehrere P2P-Anwendungen und Unternehmen waren in illegale Aktivitäten und Urheberrechtsverletzungen verwickelt.

Abschließende GedankenPeer-to-Peer-Architektur kann auf viele verschiedene Arten entwickelt und verwendet werden und bildet den Kern der Blockchains, die Kryptowährungen ermöglichen. Durch die Verteilung von Transaktionsbüchern über große Knotennetzwerke bietet die P2P-Architektur Sicherheit, Dezentralisierung und Zensurresistenz.
Neben ihrer Nützlichkeit in der Blockchain-Technologie können P2P-Systeme auch anderen verteilten Computeranwendungen dienen, von Filesharing-Netzwerken bis hin zu Energiehandelsplattformen.

.css-1iqe90x{box-sizing:border-box;margin:0;min-width:0;color:#EAECEF;}Was ist Peer-to-Peer (P2P)?

Wie funktioniert P2P?

Unstrukturierte P2P-Netzwerke

Strukturierte P2P-Netzwerke

Hybride P2P-Netzwerke

Verteilt vs. dezentralisiert

Die Rolle von P2P in Blockchains

Vorteile

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