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区块链技术学习之比特币开发(五):比特币系统中P2P网络是如何建立的

从本节开始我们将开始讲解比特币系统中P2P网络是如何建立的。还记得在上一篇比特币系统启动的的第12步的讲解中,我们提到有几个线程相关的处理非常重要吗?这一节正是基于此做了详细的讲解。

P2P 网络的建立是在上一篇文章系统启动的第 12 步,最后时刻调用 CConnman::Start 方法开始的。

本部分内容在 net.cppnet_processing.cpp 等文件中。

下面开始讲解各个线程的具体处理。

1、ThreadSocketHandler

这个线程主要用来处理套接字的读取和发送,调用系统提供的相关相关底层函数进行处理,把收到的消息转化成 CNetMessage 类型的对象,并保存到节点的 vRecvMsg 集合中,把待发送的消息从 vSendMsg 集合中取出来进行发送。

线程定义在 net.cpp 文件的 1155 行。下面我们开始进行具体的解读。

这个方法的主体是一个 while 循环,只要 interruptNet 变量为空,就一直循环。

1. 如果布尔变量 fNetworkActive 为假,则断开所有已经连接的接点。

遍历所有的节点列表,把没有断开的节点设置为断开连接。

    if (!fNetworkActive) {
        // Disconnect any connected nodes
        for (CNode* pnode : vNodes) {
            if (!pnode->fDisconnect) {
                LogPrint(BCLog::NET, "Network not active, dropping peer=%d\n", pnode->GetId());
                pnode->fDisconnect = true;
            }
        }
    }

2. 接下来,断开所有未使用的节点。

遍历所有的节点列表,如果节点已经断开连接,则进行下面的处理:

  • 首先,从 vNodes 集合中删除当前节点。
  • 然后,调用 CloseSocketDisconnect 方法,关闭当前节点的套接字并进行清理。
    方法内部设置 fDisconnect 变量为真;如果当前套接字有效,则调用 CloseSocket 方法,关闭套接字。CloseSocket 方法针对 win32 系统调用 closesocket 方法,别的系统调用 close 来关闭套接字,然后设置套接字为 INVALID_SOCKET
    具体方法如下所示:

     

    ​```void CNode::CloseSocketDisconnect()
      {
          fDisconnect = true;
          LOCK(cs_hSocket);
          if (hSocket != INVALID_SOCKET)
          {
              LogPrint(BCLog::NET, "disconnecting peer=%d\n", id);
              CloseSocket(hSocket);
          }
      }
    
  • 再然后,调用 Release 方法,把节点的引用数量 nRefCount 减一。
  • 最后,把当前节点放入 vNodesDisconnected 集合中。

3. 删除所有已断开连接的节点。

遍历所有已经断开连接的节点的集合 vNodesDisconnected,如果当前节点的引用数量 nRefCount 小于等于0,进行下面的处理:

  • 调用宏 TRY_LOCK 获取 cs_inventory 锁。如果可以获取,则获取 cs_vSend 锁。如果可以获取,则设置变量 fDelete 为真。
  • 如果变量 fDelete 为真,则从 vNodesDisconnected 集合中移除当前的节点,然后调用 DeleteNode 方法,删除节点。下面讲解下 DeleteNode 方法。方法内部首先设置变量 fUpdateConnectionTime 为真,然后调用消息处理接口的 NetEventsInterface 的 FinalizeNode 方法,最终处理节点。如果变量 fUpdateConnectionTime 在 FinalizeNode方法中被设置为真,则调用地址管理器对象的 Connected 方法,进行处理。最后,删除当前节点。

    代码如下:

    `void CConnman::DeleteNode(CNode* pnode)
    {
        assert(pnode);
        bool fUpdateConnectionTime = false;
        m_msgproc->FinalizeNode(pnode->GetId(), fUpdateConnectionTime);
        if(fUpdateConnectionTime) {
            addrman.Connected(pnode->addr);
        }
        delete pnode;
    }

    FinalizeNode 方法是一个纯虚函数,具体由 net_processing.cpp 文件中的 PeerLogicValidation 对象的 FinalizeNode 方法实现。下面,我们来看这个函数的处理。

    • 设置参数 fUpdateConnectionTime 默认为真。
    • 调用 State 方法,获取节点状态对象的指针。方法内部根据节点 ID,从 mapNodeState 集合中找到并返回对应的节点状态对象。如果不存在,则返回空指针。
    • 如果我们已经在这个对等节点上同步了区块头部,即节点状态对象的 fSyncStarted 属性为真,则设置变量 nSyncStarted 减一。
    • 如果对等节点的不良积分即节点状态对象的 nMisbehavior 属性等于0,且对等节点已经建立了完整的连接即节点状态对象的 fCurrentlyConnected 属性为真,则设置变量 fUpdateConnectionTime 为真。
    • 遍历状态对象的 vBlocksInFlight 集合,并删除所有的条目。
    • 调用 EraseOrphansFor 方法,删除与这个对等节点相关联的孤儿交易。方法内部遍历 mapOrphanTransactions 集合,如果当前孤儿交易的来自于指定的对等节点,则调用 EraseOrphanTx 方法进行删除。

      后者根据交易的哈希ID,查找 mapOrphanTransactions 集合对应的孤儿交易。如果找不到,则返回。如果找到则遍历交易的所有输入,如果当前输入指向的父输出不在 mapOrphanTransactionsByPrev 集合中,则处理下一个;否则,在返回的集合中移除指定的孤儿交易,如果指向的父输出现在为空,则从 mapOrphanTransactionsByPrev 集合中删除指向的父输出。从 mapOrphanTransactions 删除指定的孤儿交易。

      `int static EraseOrphanTx(uint256 hash) EXCLUSIVE_LOCKS_REQUIRED(g_cs_orphans)
      {
          std::map<uint256, COrphanTx>::iterator it = mapOrphanTransactions.find(hash);
          if (it == mapOrphanTransactions.end())
              return 0;
          for (const CTxIn& txin : it->second.tx->vin)
          {
              std::set<std::map<uint256, COrphanTx>::iterator, IteratorComparator>
      
              auto itPrev = mapOrphanTransactionsByPrev.find(txin.prevout);
              if (itPrev == mapOrphanTransactionsByPrev.end())
                  continue;
              itPrev->second.erase(it);
              if (itPrev->second.empty())
                  mapOrphanTransactionsByPrev.erase(itPrev);
          }
          mapOrphanTransactions.erase(it);
          return 1;
      }
    • 把优先下载区块的对等节点变量nPreferredDownload 减去状态对象的对应的 fPreferredDownload 属性。这个属性是一个布尔值,表示节点是否为优先下载区块。这里利用了 C++ 布尔值自动转换为整数值,真值转换为1,假值转换为0.
    • 处理正在下载区块的节点数量 nPeersWithValidatedDownloads 变量。如果节点状态对象的 nBlocksInFlightValidHeaders 属性不等于0,则正在下载区块的节点数量减去1,否则减去0。
    • 接下来处理 g_outbound_peers_with_protect_from_disconnect 变量,这个变量代表了出站的对等节点数量。代码比较简单,不解释。
    • 从节点状态集合 mapNodeState 中删除指定的节点ID。

4. 如果节点数量不等于 nPrevNodeCount,则把 nPrevNodeCount 设置为当前的节点数量。

	{
        LOCK(cs_vNodes);
        vNodesSize = vNodes.size();
    }
    if(vNodesSize != nPrevNodeCount) {
        nPrevNodeCount = vNodesSize;
        if(clientInterface)
            clientInterface->NotifyNumConnectionsChanged(nPrevNodeCount);
    }

5. 接下来检查哪个套接字有数据要接收。

生成相关的时间变量和 3 个 fd_set 集合来处理接收数据、发送数据及数据错误,然后将集合初始化为空集。

struct timeval timeout;
timeout.tv_sec  = 0;
timeout.tv_usec = 50000; // frequency to poll pnode->vSend

fd_set fdsetRecv;
fd_set fdsetSend;
fd_set fdsetError;
FD_ZERO(&fdsetRecv);
FD_ZERO(&fdsetSend);
FD_ZERO(&fdsetError);

遍历当前处于监听状态的套接字 vhListenSocket 集合,调用 FD_SET 方法,把当前套接字保存在 fdsetRecv 集合中,然后调用标准库的 max 方法保存最大的套接字,设置变量 have_fds 为真。

for (const ListenSocket& hListenSocket : vhListenSocket) {
    FD_SET(hListenSocket.socket, &fdsetRecv);
    hSocketMax = std::max(hSocketMax, hListenSocket.socket);
    have_fds = true;
}

遍历所有的节点,设置相关的变量。

for (CNode* pnode : vNodes)
{
    bool select_recv = !pnode->fPauseRecv;
    bool select_send;
    {
        LOCK(pnode->cs_vSend);
        select_send = !pnode->vSendMsg.empty();
    }

    LOCK(pnode->cs_hSocket);
    if (pnode->hSocket == INVALID_SOCKET)
        continue;

    FD_SET(pnode->hSocket, &fdsetError);
    hSocketMax = std::max(hSocketMax, pnode->hSocket);
    have_fds = true;

    if (select_send) {
        FD_SET(pnode->hSocket, &fdsetSend);
        continue;
    }
    if (select_recv) {
        FD_SET(pnode->hSocket, &fdsetRecv);
    }
}

调用 select 方法进行连接。

int nSelect = select(have_fds ? hSocketMax + 1 : 0,&fdsetRecv, &fdsetSend, &fdsetError, &timeout);

接下来,检查 select 调用是否出错。

if (nSelect == SOCKET_ERROR)
{
    if (have_fds)
    {
        int nErr = WSAGetLastError();
        LogPrintf("socket select error %s\n", NetworkErrorString(nErr));
        for (unsigned int i = 0; i <= hSocketMax; i++)
            FD_SET(i, &fdsetRecv);
    }
    FD_ZERO(&fdsetSend);
    FD_ZERO(&fdsetError);
    if (!interruptNet.sleep_for(std::chrono::milliseconds(timeout.tv_usec/1000)))
        return;
}

6. 接下来,接收新的连接。

遍历所有监听的套接字,如果当前套接字有效,并且套接字在在接收数据的集合中,即新的连接请求进来,则调用 AcceptConnection 方法进行处理。

for (const ListenSocket& hListenSocket : vhListenSocket)
{
    if (hListenSocket.socket != INVALID_SOCKET && FD_ISSET(hListenSocket.socket, &fdsetRecv))
    {
        AcceptConnection(hListenSocket);
    }
}

AcceptConnection 方法处理远程对等节点的连接逻辑,具体如下:

  • 调用 accept 方法,接受客户端连接。SOCKET hSocket = accept(hListenSocket.socket, (struct sockaddr*)&sockaddr, &len);
  • 计算最大的入站连接数int nMaxInbound = nMaxConnections - (nMaxOutbound + nMaxFeeler);
  • 如果连接成功,那么调用地址对象的 SetSockAddr 方法来保存保存对等节点的地址。
    if (hSocket != INVALID_SOCKET) {
        if (!addr.SetSockAddr((const struct sockaddr*)&sockaddr)) {
            LogPrintf("Warning: Unknown socket family\n");
        }
    }
  • 遍历对等节点列表,如果当前对等节点属于入站类型,则变量 nInbound 加 1。
    {
        LOCK(cs_vNodes);
        for (const CNode* pnode : vNodes) {
            if (pnode->fInbound) nInbound++;
        }
    }
  • 如果连接不成功,则直接退出。
    if (hSocket == INVALID_SOCKET)
    {
        int nErr = WSAGetLastError();
        if (nErr != WSAEWOULDBLOCK)
            LogPrintf("socket error accept failed: %s\n", NetworkErrorString(nErr));
        return;
    }
  • 如果网络是不活跃的,则关闭套接字并返回。
    if (!fNetworkActive) {
        LogPrintf("connection from %s dropped: not accepting new connections\n", addr.ToString());
        CloseSocket(hSocket);
        return;
    }
  • 如果是不可连接的,则关闭套接字并返回。
    if (!IsSelectableSocket(hSocket))
    {
        LogPrintf("connection from %s dropped: non-selectable socket\n", addr.ToString());
        CloseSocket(hSocket);
        return;
    }

    IsSelectableSocket 方法是一个内联方法,如果 Win32 则直接返回真,否则如果 select 函数返回值小于 FD_SETSIZE 则返回真,否则返回假。

  • 如果入站数量已经达到最大的入站数量,则调用 AttemptToEvictConnection 方法,找到要退出的连接。如果找不到则关闭套接字并返回。
    if (nInbound >= nMaxInbound)
    {
        if (!AttemptToEvictConnection()) {
            LogPrint(BCLog::NET, "failed to find an eviction candidate - connection dropped (full)\n");
            CloseSocket(hSocket);
            return;
        }
    }
  • 生成节点对象,并进行相关设置,然后加入节点集合中 vNodes
    NodeId id = GetNewNodeId();
            uint64_t nonce = GetDeterministicRandomizer(RANDOMIZER_ID_LOCALHOSTNONCE).Write(id).Finalize();
            CAddress addr_bind = GetBindAddress(hSocket);
            CNode* pnode = new CNode(id, nLocalServices, GetBestHeight(), hSocket, addr, CalculateKeyedNetGroup(addr), nonce, addr_bind, "", true);
            pnode->AddRef();
            pnode->fWhitelisted = whitelisted;
            m_msgproc->InitializeNode(pnode);
            LogPrint(BCLog::NET, "connection from %s accepted\n", addr.ToString());
            {
                LOCK(cs_vNodes);
                vNodes.push_back(pnode);
            }

7. 处理节点的引用数量

std::vector<CNode*> vNodesCopy;
{
    LOCK(cs_vNodes);
    vNodesCopy = vNodes;
    for (CNode* pnode : vNodesCopy)
        pnode->AddRef();
}

AddRef 方法会把 nRefCount 加1。

8. 遍历所有的节点进行收发信息处理。

  • 判断当前节点是否在读写、错误集合中。
    bool recvSet = false;
    bool sendSet = false;
    bool errorSet = false;
    {
        LOCK(pnode->cs_hSocket);
        if (pnode->hSocket == INVALID_SOCKET)
            continue;
        recvSet = FD_ISSET(pnode->hSocket, &fdsetRecv);
        sendSet = FD_ISSET(pnode->hSocket, &fdsetSend);
        errorSet = FD_ISSET(pnode->hSocket, &fdsetError);
    }
  • 如果当前节点在读取集合或错误集合中,则进行下面的处理:调用 recv 方法,读取数据。
    char pchBuf[0x10000];
    int nBytes = 0;
    {
        LOCK(pnode->cs_hSocket);
        if (pnode->hSocket == INVALID_SOCKET)
            continue;
        nBytes = recv(pnode->hSocket, pchBuf, sizeof(pchBuf), MSG_DONTWAIT);
    }

    如果读取的数量大于0,则:调用 ReceiveMsgBytes 方法,从缓冲区中读取给定数量的数据,并生成 CNetMessage 对象。如果出错,则调用 CloseSocketDisconnect 方法,关闭套接字并断开连接。

    如果读取的数量等于0,即远程节点已经关闭,则:调用 CloseSocketDisconnect 方法,关闭套接字并断开连接。

    如果读取的数量小于0,即读取过程中出错,则:调用 CloseSocketDisconnect 方法,关闭套接字并断开连接。

    具体代码如下:

    if (recvSet || errorSet)
    {
        // typical socket buffer is 8K-64K
        char pchBuf[0x10000];
        int nBytes = 0;
        {
            LOCK(pnode->cs_hSocket);
            if (pnode->hSocket == INVALID_SOCKET)
                continue;
            nBytes = recv(pnode->hSocket, pchBuf, sizeof(pchBuf), MSG_DONTWAIT);
        }
        if (nBytes > 0)
        {
            bool notify = false;
            if (!pnode->ReceiveMsgBytes(pchBuf, nBytes, notify))
                pnode->CloseSocketDisconnect();
            RecordBytesRecv(nBytes);
            if (notify) {
                size_t nSizeAdded = 0;
                auto it(pnode->vRecvMsg.begin());
                for (; it != pnode->vRecvMsg.end(); ++it) {
                    if (!it->complete())
                        break;
                    nSizeAdded += it->vRecv.size() + CMessageHeader::HEADER_SIZE;
                }
                {
                    LOCK(pnode->cs_vProcessMsg);
                    pnode->vProcessMsg.splice(pnode->vProcessMsg.end(), pnode->vRecvMsg, pnode->vRecvMsg.begin(), it);
                    pnode->nProcessQueueSize += nSizeAdded;
                    pnode->fPauseRecv = pnode->nProcessQueueSize > nReceiveFloodSize;
                }
                WakeMessageHandler();
            }
        }
        else if (nBytes == 0)
        {
            // socket closed gracefully
            if (!pnode->fDisconnect) {
                LogPrint(BCLog::NET, "socket closed\n");
            }
            pnode->CloseSocketDisconnect();
        }
        else if (nBytes < 0)
        {
            // error
            int nErr = WSAGetLastError();
            if (nErr != WSAEWOULDBLOCK && nErr != WSAEMSGSIZE && nErr != WSAEINTR && nErr != WSAEINPROGRESS)
            {
                if (!pnode->fDisconnect)
                    LogPrintf("socket recv error %s\n", NetworkErrorString(nErr));
                pnode->CloseSocketDisconnect();
            }
        }
    }
  • 如果当前节点在发送集合中,则进行如下处理。
    if (sendSet)
    {
        LOCK(pnode->cs_vSend);
        size_t nBytes = SocketSendData(pnode);
        if (nBytes) {
            RecordBytesSent(nBytes);
        }
    }

    SocketSendData 方法主要逻辑是遍历节点的发送消息集合 vSendMsg,然后调用 send 方法发送每一个消息,并针对发送正确与否进行处理;同时从发送消息集合 vSendMsg 对应的消息。

    size_t CConnman::SocketSendData(CNode *pnode) const
              {
                auto it = pnode->vSendMsg.begin();
                size_t nSentSize = 0;
    
                while (it != pnode->vSendMsg.end()) {
                    const auto &data = *it;
                    assert(data.size() > pnode->nSendOffset);
                    int nBytes = 0;
                    {
                        LOCK(pnode->cs_hSocket);
                        if (pnode->hSocket == INVALID_SOCKET)
                            break;
                        nBytes = send(pnode->hSocket, reinterpret_cast<const char*>(data.data()) + pnode->nSendOffset, data.size() - pnode->nSendOffset, MSG_NOSIGNAL | MSG_DONTWAIT);
                    }
                    if (nBytes > 0) {
                        pnode->nLastSend = GetSystemTimeInSeconds();
                        pnode->nSendBytes += nBytes;
                        pnode->nSendOffset += nBytes;
                        nSentSize += nBytes;
                        if (pnode->nSendOffset == data.size()) {
                            pnode->nSendOffset = 0;
                            pnode->nSendSize -= data.size();
                            pnode->fPauseSend = pnode->nSendSize > nSendBufferMaxSize;
                            it++;
                        } else {
                            // could not send full message; stop sending more
                            break;
                        }
                    } else {
                        if (nBytes < 0) {
                            // error
                            int nErr = WSAGetLastError();
                            if (nErr != WSAEWOULDBLOCK && nErr != WSAEMSGSIZE && nErr != WSAEINTR && nErr != WSAEINPROGRESS)
                            {
                                LogPrintf("socket send error %s\n", NetworkErrorString(nErr));
                                pnode->CloseSocketDisconnect();
                            }
                        }
                        // couldn't send anything at all
                        break;
                    }
                }
    
                if (it == pnode->vSendMsg.end()) {
                    assert(pnode->nSendOffset == 0);
                    assert(pnode->nSendSize == 0);
                }
                pnode->vSendMsg.erase(pnode->vSendMsg.begin(), it);
                return nSentSize;
            }

9. 接下来对节点的活跃性进行检查。

int64_t nTime = GetSystemTimeInSeconds();
if (nTime - pnode->nTimeConnected > 60)
{
    if (pnode->nLastRecv == 0 || pnode->nLastSend == 0)
    {
        LogPrint(BCLog::NET, "socket no message in first 60 seconds, %d %d from %d\n", pnode->nLastRecv != 0, pnode->nLastSend != 0, pnode->GetId());
        pnode->fDisconnect = true;
    }
    else if (nTime - pnode->nLastSend > TIMEOUT_INTERVAL)
    {
        LogPrintf("socket sending timeout: %is\n", nTime - pnode->nLastSend);
        pnode->fDisconnect = true;
    }
    else if (nTime - pnode->nLastRecv > (pnode->nVersion > BIP0031_VERSION ? TIMEOUT_INTERVAL : 90*60))
    {
        LogPrintf("socket receive timeout: %is\n", nTime - pnode->nLastRecv);
        pnode->fDisconnect = true;
    }
    else if (pnode->nPingNonceSent && pnode->nPingUsecStart + TIMEOUT_INTERVAL * 1000000 < GetTimeMicros())
    {
        LogPrintf("ping timeout: %fs\n", 0.000001 * (GetTimeMicros() - pnode->nPingUsecStart));
        pnode->fDisconnect = true;
    }
    else if (!pnode->fSuccessfullyConnected)
    {
        LogPrint(BCLog::NET, "version handshake timeout from %d\n", pnode->GetId());
        pnode->fDisconnect = true;
    }
} 
}

10. 遍历所有节点,减少引用数。

{
    LOCK(cs_vNodes);
    for (CNode* pnode : vNodesCopy)
        pnode->Release();
}

Release 方法把 nRefCount 参数减1。

 

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