以太坊C++源码解析（五）区块链同步(1)

在p2p(6)那一节末尾我们涉及到了BlockChainSync::syncPeer()函数，实际上到这里已经进入了另外一个重要模块：区块链同步模块，这个模块算是P2P模块交互模块。

我们知道区块链是一个分布式账本，在所有的全节点上都有区块链的一个完整副本，这些全节点之间是相互同步的关系。当我们在本地搭建好一个全节点时，首先需要从其他节点把所有区块同步过来，目前以太坊mainnet链有600多万个区块，ropsten测试链有400多万个区块，具体的区块信息可以在Etherscan网站查询到。
如果想要在链上发送一个交易，必须要等到本地区块链同步接近最新块，否则交易不会被广播出来。换句话说，区块链同步接近完成是进行交易的前提条件！这里用接近完成而不用完成是因为区块同步永远都不会完成，以太坊差不多10多秒就会产生一个新的区块。
几百万个区块的同步是一个相当漫长且痛苦的过程，我目前同步的是ropsten测试链，也许是链上经常存在攻击，也许是中国这边节点少，同步过程相当不稳定，快的时候一晚上能同步50万个区块，慢的时候卡在某个区块一动不动好几天。
因此非常有必要深入了解区块链的同步过程。

题外话不多说了，还是从BlockChainSync::syncPeer(）函数开始吧

void BlockChainSync::syncPeer(std::shared_ptr _peer, bool _force)
{
    // ...

    if (m_state == SyncState::Waiting)
        return;

    u256 td = host().chain().details().totalDifficulty;
    if (host().bq().isActive())
        td += host().bq().difficulty();

    u256 syncingDifficulty = std::max(m_syncingTotalDifficulty, td);

    if (_force || _peer->m_totalDifficulty > syncingDifficulty)
    {
        if (_peer->m_totalDifficulty > syncingDifficulty)
            LOG(m_logger) << "Discovered new highest difficulty";

        // start sync
        m_syncingTotalDifficulty = _peer->m_totalDifficulty;
        if (m_state == SyncState::Idle || m_state == SyncState::NotSynced)
        {
            LOG(m_loggerInfo) << "Starting full sync";
            m_state = SyncState::Blocks;
        }
        _peer->requestBlockHeaders(_peer->m_latestHash, 1, 0, false);
        _peer->m_requireTransactions = true;
        return;
    }

    if (m_state == SyncState::Blocks)
    {
        requestBlocks(_peer);
        return;
    }
}

开头有一个判断条件m_state == SyncState::Waiting，这是一个是否同步的开关，从别的节点peer同步过来的区块是放到一个缓存里的，当这个缓存满的时候，开关关闭，同步会暂时中止。

u256 td = host().chain().details().totalDifficulty;
if (host().bq().isActive())
    td += host().bq().difficulty();

u256 syncingDifficulty = std::max(m_syncingTotalDifficulty, td);

这段代码是计算本地当前同步的区块链的总难度。

区块链矿工竞争是通过难度来衡量的，所有节点倾向于相信难度大的区块

如果该节点peer的总难度比我自身难度大，那么就需要从该节点同步(这里有一个漏洞，如果有人伪造一个非常大的难度，那么本节点会一直从对方同步，直到一个新的更大难度的节点出现，这样可能会导致同步卡住)
m_state表示同步的状态，当m_state为SyncState::Idle或者SyncState::NotSynced时，同步就真正开始了！

区块分为区块头和区块体，这两部分是分别下载的。

首先下载的是对方节点最新块的区块头，也就是：

_peer->requestBlockHeaders(_peer->m_latestHash, 1, 0, false);

这里调用的是EthereumPeer::requestBlockHeaders()函数。
反之如果该节点难度没有我自身难度大，并且之前同步过区块头的话，就准备同步区块体，也就是：

if (m_state == SyncState::Blocks)
{
    requestBlocks(_peer);
    return;
}

我们先来看看EthereumPeer::requestBlockHeaders()函数的实现。

在EthereumPeer类里有两个requestBlockHeaders()函数，分别是按区块号来同步和按区块hash值来同步，这里调用的是后者。

void EthereumPeer::requestBlockHeaders(h256 const& _startHash, unsigned _count, unsigned _skip, bool _reverse)
{
    // ...
    setAsking(Asking::BlockHeaders);
    RLPStream s;
    prep(s, GetBlockHeadersPacket, 4) << _startHash << _count << _skip << (_reverse ? 1 : 0);
    LOG(m_logger) << "Requesting " << _count << " block headers starting from " << _startHash
                << (_reverse ? " in reverse" : "");
    m_lastAskedHeaders = _count;
    sealAndSend(s);
}

这个函数比较简单，就是向对方发送一个GetBlockHeadersPacket数据包。那么对方接到这个包以后怎么回应呢？照例到EthereumPeer::interpret()函数里去找：

case GetBlockHeadersPacket:
{
    /// Packet layout:
    /// [ block: { P , B_32 }, maxHeaders: P, skip: P, reverse: P in { 0 , 1 } ]
    const auto blockId = _r[0];
    const auto maxHeaders = _r[1].toInt();
    const auto skip = _r[2].toInt();
    const auto reverse = _r[3].toInt();

    auto numHeadersToSend = maxHeaders <= c_maxHeadersToSend ? static_cast(maxHeaders) : c_maxHeadersToSend;

    if (skip > std::numeric_limits::max() - 1)
    {
        cnetdetails << "Requested block skip is too big: " << skip;
        break;
    }

    pair const rlpAndItemCount = hostData->blockHeaders(blockId, numHeadersToSend, skip, reverse);

    RLPStream s;
    prep(s, BlockHeadersPacket, rlpAndItemCount.second).appendRaw(rlpAndItemCount.first, rlpAndItemCount.second);
    sealAndSend(s);
    addRating(0);
    break;
}

可以看到这里主要是调用了hostData->blockHeaders()函数获取区块头，并回复对方BlockHeadersPacket数据包。其中hostData是EthereumHostData类指针，blockId可能有两个值，分别是区块号或者区块hash值，对应前面两个requestBlockHeaders()函数。maxHeaders是请求区块头的数量。
我们再看看EthereumHostData::blockHeaders()函数实现：
这个函数有点长，先贴一部分代码吧：

auto numHeadersToSend = _maxHeaders;

auto step = static_cast(_skip) + 1;
assert(step > 0 && "step must not be 0");

h256 blockHash;
if (_blockId.size() == 32) // block id is a hash
{
    blockHash = _blockId.toHash();
    // ...

    if (!m_chain.isKnown(blockHash))
        blockHash = {};
    else if (!_reverse)
    {
        auto n = m_chain.number(blockHash);
        if (numHeadersToSend == 0)
            blockHash = {};
        else if (n != 0 || blockHash == m_chain.genesisHash())
        {
            auto top = n + uint64_t(step) * numHeadersToSend - 1;
            auto lastBlock = m_chain.number();
            if (top > lastBlock)
            {
                numHeadersToSend = (lastBlock - n) / step + 1;
                top = n + step * (numHeadersToSend - 1);
            }
            assert(top <= lastBlock && "invalid top block calculated");
            blockHash = m_chain.numberHash(static_cast(top)); // override start block hash with the hash of the top block we have
        }
        else
            blockHash = {};
    }
}

numHeadersToSend这个值是需要发送的最大区块头数量，_skip值为0，因此step值为1。
接着判断_blockId里是区块hash还是区块号，贴出来的这部分代码是区块hash，处理区块号那部分代码类似，有兴趣可以自己去看。

if (!m_chain.isKnown(blockHash))
    blockHash = {};

这里是判断如果该区块hash不在我本地区块链里，则不返回任何东西。
_reverse值为false，取出blockHash对应的块号n，计算要取的最高块号top，再得到当前区块链最新块号lastBlock，判断边界条件，top值不能超过lastBlock，如果超过了则top=lastBlock，再算出top对应的块hash值blockHash。

注意这里的blockHash是最高块的hash值，为什么需要这个值呢？因为区块链里区块是像单向链表连接起来的，其中0号区块是创世区块，后续区块从1开始递增，每个区块里会记录上一级区块的hash值，相当于是指向父区块的指针，因此我们遍历的时候只能从后往前遍历。

区块链示意图

接着往下看：

auto nextHash = [this](h256 _h, unsigned _step)
{
    static const unsigned c_blockNumberUsageLimit = 1000;

    const auto lastBlock = m_chain.number();
    const auto limitBlock = lastBlock > c_blockNumberUsageLimit ? lastBlock - c_blockNumberUsageLimit : 0; // find the number of the block below which we don't expect BC changes.

    while (_step) // parent hash traversal
    {
        auto details = m_chain.details(_h);
        if (details.number < limitBlock)
            break; // stop using parent hash traversal, fallback to using block numbers
        _h = details.parent;
        --_step;
    }

    if (_step) // still need lower block
    {
        auto n = m_chain.number(_h);
        if (n >= _step)
            _h = m_chain.numberHash(n - _step);
        else
            _h = {};
    }


    return _h;
};

这里定义了一个函数nextHash()，用来从后向前遍历区块hash的。_h是当前区块hash，_step值为1。
可以看到这里对区块做了一个分段，进行了区别处理，如果_h所在区块与最新区块距离超过1000个块，则采用区块号递减方式来遍历，也就是按遍历数组的方式遍历，即_h = m_chain.numberHash(n - _step);，否则按单向链表的方式遍历，即_h = details.parent;。
最后一部分准备返回数据

bytes rlp;
unsigned itemCount = 0;
vector hashes;
for (unsigned i = 0; i != numHeadersToSend; ++i)
{
    if (!blockHash || !m_chain.isKnown(blockHash))
        break;

    hashes.push_back(blockHash);
    ++itemCount;

    blockHash = nextHash(blockHash, step);
}

for (unsigned i = 0; i < hashes.size() && rlp.size() < c_maxPayload; ++i)
    rlp += m_chain.headerData(hashes[_reverse ? i : hashes.size() - 1 - i]);

return make_pair(rlp, itemCount);

把需要返回的区块头放到rlp中，并统计返回的区块头数量itemCount。

从这里可以看到有时候itemCount是0的，也就是可以不返回任何区块头，在实际同步中会经常碰到这种情况。