Bytom侧链Vapor源码浅析-节点出块过程

在这篇文章中，作者将从Vapor节点的创建开始，进而拓展讲解Vapor节点出块过程中所涉及的源码。

做为Vapor源码解析系列的第一篇，本文首先对Vapor稍加介绍。Vapor是目前国内主流公链Bytom的高性能侧链，是从Bytom主链中发展出来的一条独立的高性能侧链。Vapor是平台最重要的区块链基础设施之一，目前采用DPoS的共识算法，具有高性能、高安全、可扩展等特点，用于搭建规模化的商业应用。

Vapor节点创建及出块模块的启动

Vapor入口函数：

vapor/cmd/vapord/main.go

func main() {
    cmd := cli.PrepareBaseCmd(commands.RootCmd, "TM", os.ExpandEnv(config.DefaultDataDir()))
    cmd.Execute()
}

传入参数node后会调用runNode函数并新建一个节点。

vapor/cmd/vapord/commands/run_node.go

func runNode(cmd *cobra.Command, args []string) error {
    startTime := time.Now()
    setLogLevel(config.LogLevel)

    // Create & start node
    n := node.NewNode(config)
    ……
}

vapor节点的结构：

vapor/node/node.go

type Node struct {
    cmn.BaseService

    config          *cfg.Config
    eventDispatcher *event.Dispatcher
    syncManager     *netsync.SyncManager

    wallet          *w.Wallet
    accessTokens    *accesstoken.CredentialStore
    notificationMgr *websocket.WSNotificationManager
    api             *api.API
    chain           *protocol.Chain
    blockProposer   *blockproposer.BlockProposer
    miningEnable    bool
}

其中与出块和共识相关的是blockProposer字段

新建节点的部分源码

vapor/node/node.go

func NewNode(config *cfg.Config) *Node {
    //……
    node := &Node{
        eventDispatcher: dispatcher,
        config:          config,
        syncManager:     syncManager,
        accessTokens:    accessTokens,
        wallet:          wallet,
        chain:           chain,
        miningEnable:    config.Mining,

        notificationMgr: notificationMgr,
    }

    node.blockProposer = blockproposer.NewBlockProposer(chain, accounts, txPool, dispatcher)
    node.BaseService = *cmn.NewBaseService(nil, "Node", node)
    return node
}

从这可以看到node.blockProposer本质上是一个vapor的block生成器，实际控制node启动出块的模块是vapor/proposal/blockproposer/blockproposer.go中的：

func (b *BlockProposer) Start() {
    b.Lock()
    defer b.Unlock()

    // Nothing to do if the miner is already running
    if b.started {
        return
    }

    b.quit = make(chan struct{})
    go b.generateBlocks() //出块功能的关键模块

    b.started = true
    log.Infof("block proposer started")
}

出块模块可以通过api启动

vapor/api/miner.go

func (a *API) startMining() Response {
    a.blockProposer.Start()
    if !a.IsMining() {
        return NewErrorResponse(errors.New("Failed to start mining"))
    }
    return NewSuccessResponse("")
}

以上讲解的是节点创建和出块模块启动所涉及的源码。

从generateBlocks()函数开始，将要讲解是Vapor出块过程的具体源码。

Vapor的出块机制

Vapor采用的是DPoS的共识机制进行出块。DPoS是由被社区选举的可信帐户（受托人，得票数排行前10位）来创建区块。为了成为正式受托人，用户要去社区拉票，获得足够多用户的信任。用户根据自己持有的加密货币数量占总量的百分比来投票。DPoS机制类似于股份制公司，普通股民进不了董事会，要投票选举代表（受托人）代他们做决策。在讲解Vapor的出块流程之前，要先了解Vapor在DPoS的参数设定。

DPoS的参数信息位于 vapor/consensus/general.go

type DPOSConfig struct {
    NumOfConsensusNode      int64
    BlockNumEachNode        uint64
    RoundVoteBlockNums      uint64
    MinConsensusNodeVoteNum uint64
    MinVoteOutputAmount     uint64
    BlockTimeInterval       uint64
    MaxTimeOffsetMs         uint64
}

接下来对参数进行具体解释

• NumOfConsensusNode是DPOS中共识节点的数量，Vapor中设置为10，通过投票选出十个负责出块的共识节点。
• BlockNumEachNode是每个共识节点连续出块的数量，Vapor中设置为12。
• RoundVoteBlockNums为每轮投票的出块数，Vapor中设置为1200，也就是说每轮投票产生的共识节点会负责出块1200个。
• MinConsensusNodeVoteNum是成为共识节点要求的最小BTM数量（单位为neu，一亿分之一BTM），Vapor中设置为100000000000000，也就是说一个节点想成为共识节点，账户中至少需要存有100万BTM。
• MinVoteOutputAmoun为节点进行投票所要求的最小BTM 数量（单位为neu），Vapor中设置为100000000，节点想要参与投票，账户中需要1BTM
• BlockTimeInterval为最短出块时间间隔，Vapor每间隔0.5秒出一个块。
• MaxTimeOffsetMs为块时间允许比当前时间提前的最大秒数，在Vapor中设置为2秒。

讲完DPoS的参数设置后，就可以看看Vapor上出块的核心代码 generateBlocks

vapor/proposal/blockproposer/blockproposer.go

func (b *BlockProposer) generateBlocks() {
    xpub := config.CommonConfig.PrivateKey().XPub()
    xpubStr := hex.EncodeToString(xpub[:])
    ticker := time.NewTicker(time.Duration(consensus.ActiveNetParams.BlockTimeInterval) * time.Millisecond)
    defer ticker.Stop()

    for {
        select {
        case <-b.quit:
            return
        case <-ticker.C:
        }
        //1
        bestBlockHeader := b.chain.BestBlockHeader()
        bestBlockHash := bestBlockHeader.Hash()
        now := uint64(time.Now().UnixNano() / 1e6)
        base := now
        if now < bestBlockHeader.Timestamp {
            base = bestBlockHeader.Timestamp
        }
        minTimeToNextBlock := consensus.ActiveNetParams.BlockTimeInterval - base%consensus.ActiveNetParams.BlockTimeInterval
        nextBlockTime := base + minTimeToNextBlock
        if (nextBlockTime - now) < consensus.ActiveNetParams.BlockTimeInterval/10 {
            nextBlockTime += consensus.ActiveNetParams.BlockTimeInterval
        }
        
        //2
        blocker, err := b.chain.GetBlocker(&bestBlockHash, nextBlockTime)
        ……
        if xpubStr != blocker {
            continue
        }
        
        
        //3
        warnDuration := time.Duration(consensus.ActiveNetParams.BlockTimeInterval*warnTimeNum/warnTimeDenom) * time.Millisecond
        criticalDuration := time.Duration(consensus.ActiveNetParams.BlockTimeInterval*criticalTimeNum/criticalTimeDenom) * time.Millisecond
        block, err := proposal.NewBlockTemplate(b.chain, b.accountManager, nextBlockTime, warnDuration, criticalDuration)
        ……
        //4
        isOrphan, err := b.chain.ProcessBlock(block)
        ……
        //5
        log.WithFields(log.Fields{"module": logModule, "height": block.BlockHeader.Height, "isOrphan": isOrphan, "tx": len(block.Transactions)}).Info("proposer processed block")

        if err = b.eventDispatcher.Post(event.NewProposedBlockEvent{Block: *block}); err != nil {
            log.WithFields(log.Fields{"module": logModule, "height": block.BlockHeader.Height, "error": err}).Error("proposer fail on post block")
        }
    }
}

代码经过精简，省略了一些无关紧要的部分，并将重要的部分，分为5个模块。

1. 计算并调整出块的时间
2. 通过GetBlocker 获取顺序下一个block的公钥，并与当前块比对，判断当前块的出块顺序是否合法。
3. 通过b.chain.ProcessBlock根据模板生成了一个block。
4. 通过chain.ProcessBlock(block)尝试把block加工处理后加到本机持有的区块链上。
5. 使用logrus框架记录新的块，并像网络中广播。

b.chain.GetBlocker

针对generateBlocks()中几个重要的模块进行拆分讲解。

vapor/protocol/consensus_node_manager.go

GetBlocker()传入当前高度块的哈希和下一个块的出块时间。

// 返回一个特定时间戳的Blocker
func (c *Chain) GetBlocker(prevBlockHash *bc.Hash, timeStamp uint64) (string, error) {
    consensusNodeMap, err := c.getConsensusNodes(prevBlockHash)
    //……

    prevVoteRoundLastBlock, err := c.getPrevRoundLastBlock(prevBlockHash)
    //……
    
    startTimestamp := prevVoteRoundLastBlock.Timestamp + consensus.ActiveNetParams.BlockTimeInterval
    //获取order，xpub为公钥
    order := getBlockerOrder(startTimestamp, timeStamp, uint64(len(consensusNodeMap)))
    for xPub, consensusNode := range consensusNodeMap {
        if consensusNode.Order == order {
            return xPub, nil
        }
    }
    //……
}

• 通过调用c.getConsensusNodes()获得一个存储共识节点的Map。
• 获取上一轮投票的最后一个块，在加上最短出块时间间隔，计算得到这一轮的开始时间戳。
• 调用getBlockerOrder，通过开始时间戳和当前要出块的时间戳计算出这个时间点出块的order。
• 最后比对consensusNodeMap中consensusNode.Order，并返回公钥。

这个模块是为了找出当前时间戳对应出块的共识节点，并返回节点的公钥。因为DPoS中出块的节点和顺序必须是固定的，而使用generateBlocks()模块尝试出块的共识节点不一定是当前时间的合法出块节点，因此需要本模块通过对比公钥进行节点资格的验证。

proposal.NewBlockTemplate

vapor/proposal/proposal.go

func NewBlockTemplate(chain *protocol.Chain, accountManager *account.Manager, timestamp uint64, warnDuration, criticalDuration time.Duration) (*types.Block, error) {
    builder := newBlockBuilder(chain, accountManager, timestamp, warnDuration, criticalDuration)
    return builder.build()
}

func newBlockBuilder(chain *protocol.Chain, accountManager *account.Manager, timestamp uint64, warnDuration, criticalDuration time.Duration) *blockBuilder {
    preBlockHeader := chain.BestBlockHeader()
    block := &types.Block{
        BlockHeader: types.BlockHeader{
            Version:           1,
            Height:            preBlockHeader.Height + 1,
            PreviousBlockHash: preBlockHeader.Hash(),
            Timestamp:         timestamp,
            BlockCommitment:   types.BlockCommitment{},
            BlockWitness:      types.BlockWitness{Witness: make([][]byte, consensus.ActiveNetParams.NumOfConsensusNode)},
        },
    }

    builder := &blockBuilder{
        chain:             chain,
        accountManager:    accountManager,
        block:             block,
        txStatus:          bc.NewTransactionStatus(),
        utxoView:          state.NewUtxoViewpoint(),
        warnTimeoutCh:     time.After(warnDuration),
        criticalTimeoutCh: time.After(criticalDuration),
        gasLeft:           int64(consensus.ActiveNetParams.MaxBlockGas),
        timeoutStatus:     timeoutOk,
    }
    return builder
}

在Vapor上每个区块有区块头和区块的主体，区块头中包含版本号、高度、上一区块的hash、时间戳等等，主体包括区块链的引用模块、账户管理器、区块头、Transaction状态（版本号和验证状态）、utxo视图等。这一部分的目的是将，区块的各种信息通过模板包装成一个block交给后面的ProcessBlock(block)加工处理。

b.chain.ProcessBlock

vapor/protocol/block.go

func (c *Chain) ProcessBlock(block *types.Block) (bool, error) {
    reply := make(chan processBlockResponse, 1)
    c.processBlockCh <- &processBlockMsg{block: block, reply: reply}
    response := <-reply
    return response.isOrphan, response.err
}

func (c *Chain) blockProcesser() {
    for msg := range c.processBlockCh {
        isOrphan, err := c.processBlock(msg.block)
        msg.reply <- processBlockResponse{isOrphan: isOrphan, err: err}
    }
}

很显然，这只是链更新的入口，block数据通过processBlockMsg结构传入了c.processBlockCh这个管道。随后数据通过blockProcesser()处理后存入了msg.reply管道，而最后处理这个block的是processBlock()函数：

func (c *Chain) processBlock(block *types.Block) (bool, error) {
    //1
    blockHash := block.Hash()
    if c.BlockExist(&blockHash) {
        log.WithFields(log.Fields{"module": logModule, "hash": blockHash.String(), "height": block.Height}).Debug("block has been processed")
        return c.orphanManage.BlockExist(&blockHash), nil
    }
    //2
    c.markTransactions(block.Transactions...)
    //3
    if _, err := c.store.GetBlockHeader(&block.PreviousBlockHash); err != nil {
        c.orphanManage.Add(block)
        return true, nil
    }
    //4
    if err := c.saveBlock(block); err != nil {
        return false, err
    }
    
    bestBlock := c.saveSubBlock(block)
    bestBlockHeader := &bestBlock.BlockHeader

    c.cond.L.Lock()
    defer c.cond.L.Unlock()
    //5
    if bestBlockHeader.PreviousBlockHash == c.bestBlockHeader.Hash() {
        log.WithFields(log.Fields{"module": logModule}).Debug("append block to the end of mainchain")
        return false, c.connectBlock(bestBlock)
    }
    //6
    if bestBlockHeader.Height > c.bestBlockHeader.Height {
        log.WithFields(log.Fields{"module": logModule}).Debug("start to reorganize chain")
        return false, c.reorganizeChain(bestBlockHeader)
    }
    return false, nil
}

processBlock()函数返回的bool表示的是block是否为孤块。

1. 通过block的hash判断这个block是否已经在链上。若已存在，则报错并返回false（表示该block不是孤块）
2. 将block中的Transactions标记，后续会调用c.knownTxs.Add()将Transactions加入到Transaction集合中。
3. 判断是否为孤块，如果是，则调用孤块管理部分的模块处理并返回true。
4. 保存block，在saveBlock()中会对签名和区块进行验证。
5. bestBlockHeader.PreviousBlockHash == c.bestBlockHeader.Hash()的情况说明一切正常，新block被添加到链的末端。
6. bestBlockHeader.Height > c.bestBlockHeader.Height 表示出现了分叉，需要回滚。

总结

本篇文章从Vapor设置出块开始，到出块流程结束，细节层层解析节点设置出块和出块部分所涉及的源码。虽然本文至此篇幅已经比较长，但仍有重要的问题没有讲解清楚。例如，generateBlocks()中的第2点，程序会对出块的顺序进行查验，但这个出块的顺序是怎么获得还未做细致的解析。

那么，下一篇文章将针对Vapor中DPoS机制的细节进行源码级解析。

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