死磕以太坊源码分析之Fetcher同步

死磕以太坊源码分析之Fetcher同步

死磕以太坊源码分析之Fetcher同步

Fetcher 功能概述

区块数据同步分为被动同步和主动同步:

  • 被动同步是指本地节点收到其他节点的一些广播的消息,然后请求区块信息。

  • 主动同步是指节点主动向其他节点请求区块数据,比如geth刚启动时的syning,以及运行时定时和相邻节点同步

Fetcher负责被动同步,主要做以下事情:

  • 收到完整的block广播消息(NewBlockMsg)
  • 收到blockhash广播消息(NewBlockHashesMsg)

这两个消息又是分别由 peer.AsyncSendNewBlockHashpeer.AsyncSendNewBlock 两个方法发出的,这两个方法只有在矿工挖到新的区块时才会被调用:

// 订阅本地挖到新的区块的消息
func (pm *ProtocolManager) minedBroadcastLoop() {
    for obj := range pm.minedBlockSub.Chan() {
        if ev, ok := obj.Data.(core.NewMinedBlockEvent); ok {
            pm.BroadcastBlock(ev.Block, true)  // First propagate block to peers
            pm.BroadcastBlock(ev.Block, false) // Only then announce to the rest
        }
    }
}
func (pm *ProtocolManager) BroadcastBlock(block *types.Block, propagate bool) {
    ......
    if propagate {
        ......
        for _, peer := range transfer {
            peer.AsyncSendNewBlock(block, td) //发送区块数据
        }
    }
    if pm.blockchain.HasBlock(hash, block.NumberU64()) {
        for _, peer := range peers {
            peer.AsyncSendNewBlockHash(block) //发送区块哈希
        }
    }
}

所以,当某个矿工产生了新的区块、并将这个新区块广播给其它节点,而其它远程节点收到广播的消息时,才会用到 fetcher 模块去同步这些区块。


fetcher的状态字段

Fetcher 内部对区块进行同步时,会被分成如下几个阶段,并且每个阶段都有一个状态字段与之对应,用来记录这个阶段的数据:

  • Fetcher.announced:此阶段代表节点宣称产生了新的区块(这个新产生的区块不一定是自己产生的,也可能是同步了其它节点新产生的区块),Fetcher 对象将相关信息放到 Fetcher.announced 中,等待下载。
  • Fetcher.fetching:此阶段代表之前「announced」的区块正在被下载。
  • Fetcher.fetched:代表区块的 header 已下载成功,现在等待下载 body
  • Fetcher.completing:代表 body 已经发起了下载,正在等待 body 下载成功。
  • Fetcher.queued:代表 body 已经下载成功。因此一个区块的数据:header 和 body 都已下载完成,此区块正在等待写入本地数据库。

Fetcher 同步区块哈希

而新产生区块时,会使用消息 NewBlockHashesMsgNewBlockMsg 对其进行传播。因此 Fetcher 对象也是从这两个消息处发现新的区块信息的。先来看同步区块哈希的过程。

case msg.Code == NewBlockHashesMsg:
        var announces newBlockHashesData
        if err := msg.Decode(&announces); err != nil {
            return errResp(ErrDecode, "%v: %v", msg, err)
        }
        // Mark the hashes as present at the remote node
        // 将hash 标记存在于远程节点上
        for _, block := range announces {
            p.MarkBlock(block.Hash)
        }
        // Schedule all the unknown hashes for retrieval 检索所有未知哈希
        unknown := make(newBlockHashesData, 0, len(announces))
        for _, block := range announces {
            if !pm.blockchain.HasBlock(block.Hash, block.Number) {
                unknown = append(unknown, block) // 本地不存在的话就扔到unkonwn里面
            }
        }
        for _, block := range unknown {
            pm.fetcher.Notify(p.id, block.Hash, block.Number, time.Now(), p.RequestOneHeader, p.RequestBodies)
        }

先将接收的哈希标记在远程节点上,然后去本地检索是否有这个哈希,如果本地数据库不存在的话,就放到unknown里面,然后通知本地的fetcher模块再去远程节点上请求此区块的headerbody。 接下来进入到fetcher.Notify方法中。

func (f *Fetcher) Notify(peer string, hash common.Hash, number uint64, time time.Time,
    headerFetcher headerRequesterFn, bodyFetcher bodyRequesterFn) error {
    block := &announce{
        hash:        hash,
        number:      number,
        time:        time,
        origin:      peer,
        fetchHeader: headerFetcher,
        fetchBodies: bodyFetcher,
    }
    select {
    case f.notify <- block:
        return nil
    case <-f.quit:
        return errTerminated
    }

它构造了一个 announce 结构,并将其发送给了 Fetcher.notify 这个 channel。注意 announce 这个结构里带着下载 header 和 body 的方法: fetchHeaderfetchBodies 。这两个方法在下面的过程中会讲到。 接下来我们进入到fetcher.go的loop函数中,找到notify,分以下几个内容:

①:校验防止Dos攻击(限制为256个)

count := f.announces[notification.origin] + 1
            if count > hashLimit {
                log.Debug("Peer exceeded outstanding announces", "peer", notification.origin, "limit", hashLimit)
                propAnnounceDOSMeter.Mark(1)
                break
            }

②:新来的块号必须满足 $chainHeight - blockno < 7$ 或者 $blockno - chainHeight < 32$

if notification.number > 0 {
                if dist := int64(notification.number) - int64(f.chainHeight()); dist < -maxUncleDist || dist > maxQueueDist {
            ...         }
            }

③:准备下载headerfetching中存在此哈希则跳过

if _, ok := f.fetching[notification.hash]; ok { 
  break
            }

④:准备下载bodycompleting中存在此哈希也跳过

if _, ok := f.completing[notification.hash]; ok {
                break
            }

⑤:当确定fetchingcompleting不存在此区块哈希时,则把此区块哈希放入到announced中,准备拉取headerbody

f.announced[notification.hash] = append(f.announced[notification.hash], notification)

⑥:如果 Fetcher.announced 中只有刚才新加入的这一个区块哈希,那么调用 Fetcher.rescheduleFetch 重新设置变量 fetchTimer 的周期

if len(f.announced) == 1 {
                f.rescheduleFetch(fetchTimer)
            }

拉取header

接下来就是到fetchTimer.C函数中:进行拉取header的操作了,具体步骤如下:

①:选择要下载的区块,从 announced 转移到 fetching

for hash, announces := range f.announced {
                if time.Since(announces[0].time) > arriveTimeout-gatherSlack {
                // 随机挑一个进行fetching
                    announce := announces[rand.Intn(len(announces))]
                    f.forgetHash(hash)

                    // If the block still didn't arrive, queue for fetching
                    if f.getBlock(hash) == nil {
                        request[announce.origin] = append(request[announce.origin], hash)
                        f.fetching[hash] = announce //
                    }
                }
            }

②:发送下载 header 的请求

//发送所有的header请求
            for peer, hashes := range request {
                log.Trace("Fetching scheduled headers", "peer", peer, "list", hashes)
                fetchHeader, hashes := f.fetching[hashes[0]].fetchHeader, hashes
                go func() {
                    if f.fetchingHook != nil {
                        f.fetchingHook(hashes)
                    }
                    for _, hash := range hashes {
                        headerFetchMeter.Mark(1)
                        fetchHeader(hash) 
                    }
                }()
            }

现在我们再回到f.notify函数中,找到p.RequestOneHeader,发送GetBlockHeadersMsg给远程节点,然后远程节点再通过case msg.Code == GetBlockHeadersMsg进行处理,本地区块链会返回headers,然后再发送回去。

origin = pm.blockchain.GetHeaderByHash(query.Origin.Hash)
...
p.SendBlockHeaders(headers)

这时候我们请求的headers被远程节点给发送回来了,又是通过新的消息BlockHeadersMsg来传递的,当请求的 header 到来时,会通过两种方式来过滤header :

  1. Fetcher.FilterHeaders 通知 Fetcher 对象
case msg.Code == BlockHeadersMsg:
....
filter := len(headers) == 1
if filter {
  headers = pm.fetcher.FilterHeaders(p.id, headers, time.Now())
}

2.downloader.DeliverHeaders 通知downloader对象

if len(headers) > 0 || !filter {
            err := pm.downloader.DeliverHeaders(p.id, headers)
        ...
        }

downloader相关的放在接下的文章探讨。继续看FilterHeaders:

filter := make(chan *headerFilterTask)
    select {
    case f.headerFilter <- filter: ①
....
    select {
    case filter <- &headerFilterTask{peer: peer, headers: headers, time: time}: ②
...
    select {
    case task := <-filter: ③
        return task.headers
...
    }

主要分为3个步骤:

  1. 先发一个通信用的 channelheaderFilter
  2. 将要过滤的 headerFilterTask 发送给 filter
  3. 检索过滤后剩余的标题

主要的处理步骤还是在loop函数中的filter := <-f.headerFilter,在探讨处理前,先了解三个参数的含义:

  • unknown:未知的header
  • incomplete:header拉取完成,但是body还没有拉取
  • complete:headerbody都拉取完成,一个完整的块,可导入到数据库

接下来正式进入到for _, header := range task.headers {}循环中: 这是第一段重要的循环

①:判断是否是在fetching中的header,并且不是其他同步算法的header

if announce := f.fetching[hash]; announce != nil && announce.origin == task.peer && f.fetched[hash] == nil && f.completing[hash] == nil && f.queued[hash] == nil {
  .....
}

②:如果传递的header与承诺的number不匹配,删除peer

if header.Number.Uint64() != announce.number {
  f.dropPeer(announce.origin)
        f.forgetHash(hash)
}

③:判断此区块在本地是否已存在,如果不存在且只有header(空块),直接放入complete以及f.completing中,否则就放入到incomplete中等待同步body

if f.getBlock(hash) == nil {
                        announce.header = header
                        announce.time = task.time

                        if header.TxHash == types.DeriveSha(types.Transactions{}) && header.UncleHash == types.CalcUncleHash([]*types.Header{}) {
                ...
                            block := types.NewBlockWithHeader(header)
                            block.ReceivedAt = task.time

                            complete = append(complete, block)
                            f.completing[hash] = announce
                            continue
            }
                        incomplete = append(incomplete, announce) // 否则添加到需要完成拉取body的列表中

④:如果f.fetching中不存在此哈希,就放入到unkown

else {
                    // Fetcher doesn't know about it, add to the return list |fetcher 不认识的放到unkown中
                    unknown = append(unknown, header)
                }

⑤:之后再把Unknownheader再通知fetcher继续过滤

select {
            case filter <- &headerFilterTask{headers: unknown, time: task.time}:
            case <-f.quit:
                return
        }

接着就是进入到第二个循环,要准备拿出incomplete里的哈希,进行同步body的同步

for _, announce := range incomplete {
                hash := announce.header.Hash()
                if _, ok := f.completing[hash]; ok {
                    continue
                }
                f.fetched[hash] = append(f.fetched[hash], announce)
                if len(f.fetched) == 1 {
                    f.rescheduleComplete(completeTimer)
                }
            }

如果f.completing中存在,就表明已经在开始同步body了,直接跳过,否则把这个哈希放入到f.fetched,表示header同步完毕,准备body同步,由f.rescheduleComplete(completeTimer)完成。最后是安排只有header的区块进行导入操作.

for _, block := range complete {
                if announce := f.completing[block.Hash()]; announce != nil {
                    f.enqueue(announce.origin, block)
                }
            }

重点分析completeTimer.C,同步body的操作,这步完成就是要准备区块导入到数据库流程了。

拉取body

进入completeTimer.C,从f.fetched获取哈希,如果本地区块链查不到的话就把这个哈希放入到f.completing中,再循环进行fetchBodies,整个流程就结束了,代码大致如下:

case <-completeTimer.C:
...
            for hash, announces := range f.fetched {
        ....
                if f.getBlock(hash) == nil {
                    request[announce.origin] = append(request[announce.origin], hash)
                    f.completing[hash] = announce
                }
            }
            for peer, hashes := range request {
        ...
                go f.completing[hashes[0]].fetchBodies(hashes)
            }
...

关键的拉取body函数: p.RequestBodies,发送GetBlockBodiesMsg消息同步body。回到handler里面去查看对应的消息:

case msg.Code == GetBlockBodiesMsg:
        // Decode the retrieval message
        msgStream := rlp.NewStream(msg.Payload, uint64(msg.Size))
        if _, err := msgStream.List(); err != nil {
            return err
        }
        var (
            hash   common.Hash
            bytes  int
            bodies []rlp.RawValue
        )
        for bytes < softResponseLimit && len(bodies) < downloader.MaxBlockFetch {
            ...
            if data := pm.blockchain.GetBodyRLP(hash); len(data) != 0 {
                bodies = append(bodies, data)
                bytes += len(data)
            }
        }
        return p.SendBlockBodiesRLP(bodies)

softResponseLimit返回的body大小最大为$2 1024 1024$,MaxBlockFetch表示每个请求最多128个body

之后直接通过GetBodyRLP返回数据通过SendBlockBodiesRLP发回给节点。

节点将会接收到新消息:BlockBodiesMsg,进入查看:

// 过滤掉filter请求的body 同步,其他的都交给downloader
        filter := len(transactions) > 0 || len(uncles) > 0
        if filter {
            transactions, uncles = pm.fetcher.FilterBodies(p.id, transactions, uncles, time.Now())
        }

        if len(transactions) > 0 || len(uncles) > 0 || !filter {
            err := pm.downloader.DeliverBodies(p.id, transactions, uncles)
...
        }

过滤掉filter请求的body 同步,其他的都交给downloaderdownloader部分之后的篇章讲。进入到FilterBodies

    filter := make(chan *bodyFilterTask)
select {
    case f.bodyFilter <- filter:  ①
    case <-f.quit:
        return nil, nil
    }
    // Request the filtering of the body list
    // 请求过滤body 列表
    select { ②
    case filter <- &bodyFilterTask{peer: peer, transactions: transactions, uncles: uncles, time: time}:
    case <-f.quit:
        return nil, nil
    }
    // Retrieve the bodies remaining after filtering
    select { ③:
    case task := <-filter:
        return task.transactions, task.uncles

主要分为3个步骤:

  1. 先发一个通信用的 channelbodyFilter
  2. 将要过滤的 bodyFilterTask 发送给 filter
  3. 检索过滤后剩余的body

现在进入到case filter := <-f.bodyFilter里面,大致做了以下几件事:

①:首先从f.completing中获取要同步body的哈希

for i := 0; i < len(task.transactions) && i < len(task.uncles); i++ {
  for hash, announce := range f.completing {
    ...
  }
}

②:然后从f.queued去查这个哈希是不是已经获取了body,如果没有并满足条件就创建一个完整block

if f.queued[hash] == nil {
                        txnHash := types.DeriveSha(types.Transactions(task.transactions[i]))
                        uncleHash := types.CalcUncleHash(task.uncles[i])
  if txnHash == announce.header.TxHash && uncleHash == announce.header.UncleHash && announce.origin == task.peer {
                            matched = true

                            if f.getBlock(hash) == nil {
                                block := types.NewBlockWithHeader(announce.header).WithBody(task.transactions[i], task.uncles[i])
                                block.ReceivedAt = task.time

                blocks = append(blocks, block)
              }
  }

③:最后对完整的块进行导入

for _, block := range blocks {
                if announce := f.completing[block.Hash()]; announce != nil {
                    f.enqueue(announce.origin, block)
                }
            }

最后用一张粗略的图来大概的描述一下整个同步区块哈希的流程:

image-20201203090304059


同步区块哈希的最终会走到f.enqueue里面,这个也是同步区块最重要的要做的一件事,下文就会讲到。

Fetcher 同步区块

分析完上面比较复杂的同步区块哈希过程,接下来就要分析比较简单的同步区块过程。从NewBlockMsg开始:

主要做两件事:

①:fetcher模块导入远程节点发过来的区块

pm.fetcher.Enqueue(p.id, request.Block)

②:主动同步远程节点

if _, td := p.Head(); trueTD.Cmp(td) > 0 {
            p.SetHead(trueHead, trueTD)
            currentBlock := pm.blockchain.CurrentBlock()
            if trueTD.Cmp(pm.blockchain.GetTd(currentBlock.Hash(), currentBlock.NumberU64())) > 0 {
                go pm.synchronise(p)
            }
        }

主动同步由Downloader去处理,我们这篇只讨论fetcher相关。

区块入队列

pm.fetcher.Enqueue(p.id, request.Block)
case op := <-f.inject:
            propBroadcastInMeter.Mark(1)
            f.enqueue(op.origin, op.block)

正式进入将区块送进queue中,主要做了以下几件事:

①: 确保新加peer没有导致DOS攻击

count := f.queues[peer] + 1
    if count > blockLimit {
        log.Debug("Discarded propagated block, exceeded allowance", "peer", peer, "number", block.Number(), "hash", hash, "limit", blockLimit)
        propBroadcastDOSMeter.Mark(1)
        f.forgetHash(hash)
        return
    }

②:丢弃掉过去的和比较老的区块

if dist := int64(block.NumberU64()) - int64(f.chainHeight()); dist < -maxUncleDist || dist > maxQueueDist {
  f.forgetHash(hash)
}

③:安排区块导入

    if _, ok := f.queued[hash]; !ok {
        op := &inject{
            origin: peer,
            block:  block,
        }
        f.queues[peer] = count
        f.queued[hash] = op
        f.queue.Push(op, -int64(block.NumberU64()))
        if f.queueChangeHook != nil {
            f.queueChangeHook(op.block.Hash(), true)
        }
        log.Debug("Queued propagated block", "peer", peer, "number", block.Number(), "hash", hash, "queued", f.queue.Size())
    }

到此为止,已经将区块送入到queue中,接下来就是要回到loop函数中去处理queue中的区块。

区块入库

loop函数在处理队列中的区块主要做了以下事情:

  1. 判断队列是否为空
  2. 取出区块哈希,并且和本地链进行比较,如果太高的话,就暂时不导入
  3. 最后通过f.insert将区块插入到数据库。

代码如下:

height := f.chainHeight()
        for !f.queue.Empty() {
            op := f.queue.PopItem().(*inject)
            hash := op.block.Hash()
        ...
            number := op.block.NumberU64()
            if number > height+1 {
                f.queue.Push(op, -int64(number))
    ...
                break
            }
            if number+maxUncleDist < height || f.getBlock(hash) != nil {
                f.forgetBlock(hash)
                continue
            }
            f.insert(op.origin, op.block) //导入块
        }

进入到f.insert中,主要做了以下几件事:

①:判断区块的父块是否存在,不存在则中断插入

        parent := f.getBlock(block.ParentHash())
        if parent == nil {
            log.Debug("Unknown parent of propagated block", "peer", peer, "number", block.Number(), "hash", hash, "parent", block.ParentHash())
            return
        }

②: 快速验证header,并在传递时广播该块

switch err := f.verifyHeader(block.Header()); err {
        case nil:
            propBroadcastOutTimer.UpdateSince(block.ReceivedAt)
            go f.broadcastBlock(block, true)

③:运行真正的插入逻辑

if _, err := f.insertChain(types.Blocks{block}); err != nil {
            log.Debug("Propagated block import failed", "peer", peer, "number", block.Number(), "hash", hash, "err", err)
            return
        }

④:导入成功广播此块

go f.broadcastBlock(block, false)

真正做区块入库的是f.insertChain,这里会调用blockchain模块去操作,具体细节会后续文章讲述,到此为止Fether模块的同步就到此结束了,下面是同步区块的流程图:

image-20201203090327173


参考

https://mindcarver.cn

https://github.com/blockchainGuide (文章资料在此,给个Star哦)

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  • 发表于 2021-02-21 14:19
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  • 分类:以太坊

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区块链底层研发

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