blockchain关键元素

  • db:持久化到底层数据储存,即leveldb;
  • genesisBlock:创始区块
  • currentBlock:当前区块,blockchain中并不是储存链所有的block,而是通过currentBlock向前回溯直到genesisBlock,这样就构成了区块链
  • bodyCache、bodyRLPCache、blockCache、futureBlocks:区块链中的缓存结构,用于加快区块链的读取和构建;
  • hc:headerchain区块头链,由blockchain额外维护的另一条链,由于Header和Block的储存空间是有很大差别的,但同时Block的Hash值就是Header(RLP)的Hash值,所以维护一个headerchain可以用于快速延长链,验证通过后再下载blockchain,或者可以与blockchain进行相互验证;
  • processor:执行区块链交易的接口,收到一个新的区块时,要对区块中的所有交易执行一遍,一方面是验证,一方面是更新世界状态;
  • validator:验证数据有效性的接口
  • futureBlocks:收到的区块时间大于当前头区块时间15s而小于30s的区块,可作为当前节点待处理的区块。

函数介绍

// BadBlocks 处理客户端从网络上获取的最近的bad block列表
func (bc *BlockChain) BadBlocks() []*types.Block {} // addBadBlock 把bad block放入缓存
func (bc *BlockChain) addBadBlock(block *types.Block) {}
// CurrentBlock取回主链的当前头区块,这个区块是从blockchian的内部缓存中取得
func (bc *BlockChain) CurrentBlock() *types.Block {} // CurrentHeader检索规范链的当前头区块header。从HeaderChain的内部缓存中检索标头。
func (bc *BlockChain) CurrentHeader() *types.Header{} // CurrentFastBlock取回主链的当前fast-sync头区块,这个区块是从blockchian的内部缓存中取得
func (bc *BlockChain) CurrentFastBlock() *types.Block {}
// 将活动链或其子集写入给定的编写器.
func (bc *BlockChain) Export(w io.Writer) error {}
func (bc *BlockChain) ExportN(w io.Writer, first uint64, last uint64) error {}
// FastSyncCommitHead快速同步,将当前头块设置为特定hash的区块。
func (bc *BlockChain) FastSyncCommitHead(hash common.Hash) error {}
// GasLimit返回当前头区块的gas limit
func (bc *BlockChain) GasLimit() uint64 {}
// Genesis 取回genesis区块
func (bc *BlockChain) Genesis() *types.Block {}
// 通过hash从数据库或缓存中取到一个区块体(transactions and uncles)或RLP数据
func (bc *BlockChain) GetBody(hash common.Hash) *types.Body {}
func (bc *BlockChain) GetBodyRLP(hash common.Hash) rlp.RawValue {}
// GetBlock 通过hash和number取到区块
func (bc *BlockChain) GetBlock(hash common.Hash, number uint64) *types.Block {}
// GetBlockByHash 通过hash取到区块
func (bc *BlockChain) GetBlockByHash(hash common.Hash) *types.Block {}
// GetBlockByNumber 通过number取到区块
func (bc *BlockChain) GetBlockByNumber(number uint64) *types.Block {}
// 获取给定hash和number区块的header
func (bc *BlockChain) GetHeader(hash common.Hash, number uint64) *types.Header{} // 获取给定hash的区块header
func (bc *BlockChain) GetHeaderByHash(hash common.Hash) *types.Header{} // 获取给定number的区块header
func (bc *BlockChain) GetHeaderByNumber(number uint64) *types.Header{}
// HasBlock检验hash对应的区块是否完全存在数据库中
func (bc *BlockChain) HasBlock(hash common.Hash, number uint64) bool {} // 检查给定hash和number的区块的区块头是否存在数据库
func (bc *BlockChain) HasHeader(hash common.Hash, number uint64) bool{} // HasState检验state trie是否完全存在数据库中
func (bc *BlockChain) HasState(hash common.Hash) bool {} // HasBlockAndState检验hash对应的block和state trie是否完全存在数据库中
func (bc *BlockChain) HasBlockAndState(hash common.Hash, number uint64) bool {}
// 获取给定hash的区块的总难度
func (bc *BlockChain) GetTd(hash common.Hash, number uint64) *big.Int{}
// 获取从给定hash的区块到genesis区块的所有hash
func (bc *BlockChain) GetBlockHashesFromHash(hash common.Hash, max uint64) []common.Hash{} // GetReceiptsByHash 在特定的区块中取到所有交易的收据
func (bc *BlockChain) GetReceiptsByHash(hash common.Hash) types.Receipts {} // GetBlocksFromHash 取到特定hash的区块及其n-1个父区块
func (bc *BlockChain) GetBlocksFromHash(hash common.Hash, n int) (blocks []*types.Block) {} // GetUnclesInChain 取回从给定区块到向前回溯特定距离到区块上的所有叔区块
func (bc *BlockChain) GetUnclesInChain(block *types.Block, length int) []*types.Header {}
// insert 将新的头块注入当前块链。 该方法假设该块确实是真正的头。
// 如果它们较旧或者它们位于不同的侧链上,它还会将头部标题和头部快速同步块重置为同一个块。
func (bc *BlockChain) insert(block *types.Block) {} // InsertChain尝试将给定批量的block插入到规范链中,否则,创建一个分叉。 如果返回错误,它将返回失败块的索引号以及描述错误的错误。
//插入完成后,将触发所有累积的事件。
func (bc *BlockChain) InsertChain(chain types.Blocks) (int, error){} // insertChain将执行实际的链插入和事件聚合。
// 此方法作为单独方法存在的唯一原因是使用延迟语句使锁定更清晰。
func (bc *BlockChain) insertChain(chain types.Blocks) (int, []interface{}, []*types.Log, error){} // InsertHeaderChain尝试将给定的headerchain插入到本地链中,可能会创建一个重组
func (bc *BlockChain) InsertHeaderChain(chain []*types.Header, checkFreq int) (int, error){} // InsertReceiptChain 使用交易和收据数据来完成已经存在的headerchain
func (bc *BlockChain) InsertReceiptChain(blockChain types.Blocks, receiptChain []types.Receipts) (int, error) {}
//loadLastState从数据库加载最后一个已知的链状态。
func (bc *BlockChain) loadLastState() error {}
// Processor 返回当前current processor.
func (bc *BlockChain) Processor() Processor {}
// Reset重置清除整个区块链,将其恢复到genesis state.
func (bc *BlockChain) Reset() error {} // ResetWithGenesisBlock 清除整个区块链, 用特定的genesis state重塑,被Reset所引用
func (bc *BlockChain) ResetWithGenesisBlock(genesis *types.Block) error {} // repair尝试通过回滚当前块来修复当前的区块链,直到找到具有关联状态的块。
// 用于修复由崩溃/断电或简单的非提交尝试导致的不完整的数据库写入。
//此方法仅回滚当前块。 当前标头和当前快速块保持不变。
func (bc *BlockChain) repair(head **types.Block) error {} // reorgs需要两个块、一个旧链以及一个新链,并将重新构建块并将它们插入到新的规范链中,并累积潜在的缺失事务并发布有关它们的事件
func (bc *BlockChain) reorg(oldBlock, newBlock *types.Block) error{} // Rollback 旨在从数据库中删除不确定有效的链片段
func (bc *BlockChain) Rollback(chain []common.Hash) {}

// SetReceiptsData 计算收据的所有非共识字段
func SetReceiptsData(config *params.ChainConfig, block *types.Block, receipts types.Receipts) error {} // SetHead将本地链回滚到指定的头部。
// 通常可用于处理分叉时重选主链。对于Header,新Header上方的所有内容都将被删除,新的头部将被设置。
// 但如果块体丢失,则会进一步回退(快速同步后的非归档节点)。
func (bc *BlockChain) SetHead(head uint64) error {} // SetProcessor设置状态修改所需要的processor
func (bc *BlockChain) SetProcessor(processor Processor) {} // SetValidator 设置用于验证未来区块的validator
func (bc *BlockChain) SetValidator(validator Validator) {} // State 根据当前头区块返回一个可修改的状态
func (bc *BlockChain) State() (*state.StateDB, error) {} // StateAt 根据特定时间点返回新的可变状态
func (bc *BlockChain) StateAt(root common.Hash) (*state.StateDB, error) {} // Stop 停止区块链服务,如果有正在import的进程,它会使用procInterrupt来取消。
// it will abort them using the procInterrupt.
func (bc *BlockChain) Stop() {} // TrieNode从memory缓存或storage中检索与trie节点hash相关联的数据。
func (bc *BlockChain) TrieNode(hash common.Hash) ([]byte, error) {} // Validator返回当前validator.
func (bc *BlockChain) Validator() Validator {}
// WriteBlockWithoutState仅将块及其元数据写入数据库,但不写入任何状态。 这用于构建竞争方叉,直到超过规范总难度。
func (bc *BlockChain) WriteBlockWithoutState(block *types.Block, td *big.Int) (err error){} // WriteBlockWithState将块和所有关联状态写入数据库。
func (bc *BlockChain) WriteBlockWithState(block *types.Block, receipts []*types.Receipt, state *state.StateDB) {} // writeHeader将标头写入本地链,因为它的父节点已知。 如果新插入的报头的总难度变得大于当前已知的TD,则重新路由规范链
func (bc *BlockChain) writeHeader(header *types.Header) error{} // 处理未来区块链
func (bc *BlockChain) update() {}

blockchain初始化

主要步骤:

①:创建一个新的headerChain结构

bc.hc, err = NewHeaderChain(db, chainConfig, engine, bc.getProcInterrupt)
  1. 根据number(0)获取genesisHeader
  2. 从rawdb中读取HeadBlock并存储在currentHeader中

②:获取genesisBlock

bc.genesisBlock = bc.GetBlockByNumber(0)

③:如果链不为空,则用老的链数据初始化链

if bc.empty() {
rawdb.InitDatabaseFromFreezer(bc.db)
}

④:加载最新的状态数据

if err := bc.loadLastState(); err != nil {
return nil, err
}

⑤:检查区块哈希的当前状态,并确保链中没有任何坏块

for hash := range BadHashes {
if header := bc.GetHeaderByHash(hash); header != nil {
headerByNumber := bc.GetHeaderByNumber(header.Number.Uint64())
if headerByNumber != nil && headerByNumber.Hash() == header.Hash() {
log.Error("Found bad hash, rewinding chain", "number", header.Number, "hash", header.ParentHash)
bc.SetHead(header.Number.Uint64() - 1)
log.Error("Chain rewind was successful, resuming normal operation")
}
}
}

⑥:定时处理future block

go bc.update()
->procFutureBlocks
->InsertChain

总的来说做了以下几件事:

  1. 配置cacheConfig,创建各种lru缓存
  2. 初始化triegc
  3. 初始化stateDb:state.NewDatabase(db)
  4. 初始化区块和状态验证:NewBlockValidator()
  5. 初始化状态处理器:NewStateProcessor()
  6. 初始化区块头部链:NewHeaderChain()
  7. 查找创世区块:bc.genesisBlock = bc.GetBlockByNumber(0)
  8. 加载最新的状态数据:bc.loadLastState()
  9. 检查区块哈希的当前状态,并确保链中没有任何坏块
  10. go bc.update() 定时处理future block

加载区块链状态

①:从数据库中恢复headblock,如果空的话,触发reset chain

head := rawdb.ReadHeadBlockHash(bc.db)
if head == (common.Hash{}) {
log.Warn("Empty database, resetting chain")
return bc.Reset()
}

②:确保整个head block是可以获取的,若为空,则触发reset chain

currentBlock := bc.GetBlockByHash(head)
if currentBlock == nil {
// Corrupt or empty database, init from scratch
log.Warn("Head block missing, resetting chain", "hash", head)
return bc.Reset()
}

③:从stateDb中打开最新区块的状态trie,如果打开失败调用bc.repair(&currentBlock)方法进行修复。修复方法就是从当前区块一个个的往前面找,直到找到好的区块,然后赋值给currentBlock。

if _, err := state.New(currentBlock.Root(), bc.stateCache); err != nil {
// Dangling block without a state associated, init from scratch
log.Warn("Head state missing, repairing chain", "number", currentBlock.Number(), "hash", currentBlock.Hash())
if err := bc.repair(&currentBlock); err != nil {
return err
}
rawdb.WriteHeadBlockHash(bc.db, currentBlock.Hash())
}

④:存储当前的headblock和设置当前的headHeader以及头部快速块

bc.currentBlock.Store(currentBlock)
....
bc.hc.SetCurrentHeader(currentHeader)
...
bc.currentFastBlock.Store(currentBlock)

插入数据到blockchain中

①:如果链正在中断,直接返回

②:开启并行的签名恢复

③:校验header

abort, results := bc.engine.VerifyHeaders(bc, headers, seals)

④:循环校验body

block, err := it.next()
-> ValidateBody
-> VerifyUncles

包括以下错误:

  • block已知
  • uncle太多
  • 重复的uncle
  • uncle是祖先块
  • uncle哈希不匹配
  • 交易哈希不匹配
  • 未知祖先
  • 祖先块的状态无法获取

如果block存在,且是已知块,则写入已知块。

如果是祖先块的状态无法获取的错误,则作为侧链插入:

bc.insertSideChain(block, it)

如果是未来块或者未知祖先,则添加未来块:

bc.addFutureBlock(block);

如果是其他错误,直接中断,并且报告坏块。

bc.futureBlocks.Remove(block.Hash())
...
bc.reportBlock(block, nil, err)

⑤:没有校验错误

如果是坏块,则报告;如果是未知块,则写入未知块;根据给定trie,创建state;

执行块中的交易:

receipts, logs, usedGas, err := bc.processor.Process(block, statedb, bc.vmConfig)

使用默认的validator校验状态:

bc.validator.ValidateState(block, statedb, receipts, usedGas);

将块写入到区块链中并获取状态:

status, err := bc.writeBlockWithState(block, receipts, logs, statedb, false)

⑥:校验写入区块的状态

  • CanonStatTy : 插入成功新的block
  • SideStatTy:插入成功新的分叉区块
  • Default:插入未知状态的block

⑦:如果还有块,并且是未来块的话,那么将块添加到未来块的缓存中去

bc.addFutureBlock(block)

至此insertChain 大概介绍清楚。


将块和关联状态写入到数据库

函数:WriteBlockWithState

①:计算父块的total td

ptd := bc.GetTd(block.ParentHash(), block.NumberU64()-1)

②:添加待插入块本身的td ,并将此时最新的total td 存储到数据库中。

bc.hc.WriteTd(block.Hash(), block.NumberU64(), externTd)

③:将块的header和body分别序列化到数据库

rawdb.WriteBlock(bc.db, block)
->WriteBody(db, block.Hash(), block.NumberU64(), block.Body())
->WriteHeader(db, block.Header())

④:将状态写入底层内存Trie数据库

state.Commit(bc.chainConfig.IsEIP158(block.Number()))

⑤:存储一个块的所有交易数据

rawdb.WriteReceipts(batch, block.Hash(), block.NumberU64(), receipts)

⑥:将新的head块注入到当前链中

if status == CanonStatTy {
bc.insert(block)
}
  • 存储分配给规范块的哈希
  • 存储头块的哈希
  • 存储最新的快
  • 更新currentFastBlock

到此writeBlockWithState 结束,从上面可以知道,insertChain的最终还是调用了writeBlockWithState的insert方法完成了最终的插入动作。


思考

  1. 为什么还要导入已知块???writeKnownBlock

参考:

https://github.com/mindcarver/blockchain_guide (优秀的区块链学习营地)

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