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。