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比特币源代码分析:VersionBits 模块解析

[日期:2018-02-22] 来源:公众账号  作者: [字体: ]

BIP9允许部署多个向后兼容的软分叉,通过旷工在一个目标周期内投票,如果达到激活阈值 nRuleChangeActivationThreshold,就能成功的启用该升级。在实现方面,通过重定义区块头信息中的version字段,将version字段解释为bit vector,每一个bit可以用来跟踪一个独立的部署,在满足激活条件之后,该部署将会生效,同时该bit可以被其他部署使用。目前通过BIP9成功进行软分叉有 BIP68, 112, 113, 于2016-07-04 ,高度:419328成功激活.

BIP9部署设置

每一个进行部署的BIP9,都必须设置bit位、开始时间、过期时间。

struct BIP9Deployment { int bit;
int64_t nStartTime;
int64_t nTimeout;
};// namespace:Consensusstruct Params {
... uint32_t nRuleChangeActivationThreshold;
uint32_t nMinerConfirmationWindow;
BIP9Deployment vDeployments[MAX_VERSION_BITS_DEPLOYMENTS]; // BIP9
uint256 powLimit; bool fPowAllowMinDifficultyBlocks; bool fPowNoRetargeting; int64_t nPowTargetSpacing; int64_t nPowTargetTimespan;
...
};

bit通过 1 << bit方式转换成一个uint32_t的整数,在检验一个BIP9部署是否成功激活的时候使用了Condition(...)函数,来验证一个区块是否赞成该部署。

bool Condition(const CBlockIndex *pindex, const Consensus::Params &params) const { return ((
(pindex->nVersion & VERSIONBITS_TOP_MASK) ==VERSIONBITS_TOP_BITS) &&
(pindex->nVersion & Mask(params)) != 0);
}uint32_t Mask(const Consensus::Params &params) const { return ((uint32_t)1) << params.vDeployments[id].bit;
}

逻辑分析

  • 首先验证该version是有效的version设置(001)

  • 验证块的版本号中是否设置了指定的bit位

    • Mask()函数通过将1左移BIP9部署中设定的bit,生成一个该区块代表的version

开始时间和过期时间主要为了在检查BIP9部署状态时,提供状态判断的依据和临界值。比如如果区块的中位数时间超过了过期时间 nTimeTimeout,则判断该BIP9部署已经失败(后面会详细拆解)。

if (pindexPrev->GetMedianTimePast() >= nTimeTimeout) {
stateNext = THRESHOLD_FAILED;
} else if (pindexPrev->GetMedianTimePast() >= nTimeStart) {
stateNext = THRESHOLD_STARTED;
}if (pindexPrev->GetMedianTimePast() >= nTimeTimeout) {
stateNext = THRESHOLD_FAILED; break;
}

部署状态转换

BIP9部署中定义了所有软分叉升级的初始状态均为 THRESHOLD_DEFINED,并定义创始区块状态为 THRESHOLD_DEFINED, 另外如果在程序中遇到blockIndex为 nullptr时,均返回 THRESHOLD_DEFINED状态。

具体转换过程如下: THRESHOLD_DEFINED为软分叉的初始状态,如果过去中位数时间(MTP)大于nStartTIme,则状态转换为 THRESHOLD_STARTED,如果MTP大于等于nTimeout,则状态转换成 THRESHOLD_FAILED;如果在一个目标周期(2016个区块)内赞成升级的区块数量占95%以上(大约1915个区块),则状态转换成 THRESHOLD_LOCKED_IN,否则转换成 THRESHOLD_FAILED;在 THRESHOLD_LOCKED_IN之后的下一个目标周期,状态转换成 THRESHOLD_ACTIVE,同时该部署将保持该状态。

enum ThresholdState {
THRESHOLD_DEFINED,
THRESHOLD_STARTED,
THRESHOLD_LOCKED_IN,
THRESHOLD_ACTIVE,
THRESHOLD_FAILED,
};

业务逻辑

基类 AbstractThresholdConditionChecker定义了通过共识规则检查BIP9部署的状态。有如下方法,其中最后两个方法在基类中实现,子类继承了该方法的实现:

  • Condition(...)检测一个区块是否赞成一个软分叉升级:首先验证该区块version是否有效的version格式, 然后检测该version是否设置了相应个bit位

  • BeginTime(...)返回共识规则中的开始投票时间(采用MTP验证 pindexPrev->GetMedianTimePast() >= nTimeStart)

  • EndTime(...)返回共识规则中的设置的过期时间

  • Period(...)返回共识规则中的一个目标周期(当前主链的目标周期为2016个区块)

  • Threshold(...)返回nRuleChangeActivationThreshold,表示满足软分叉升级的最低要求

  • GetStateFor(...)在提供共识规则、开始检索的区块索引、以及之前缓存的状态数据判断当前部署的状态(后面会详细分析其逻辑)

  • GetStateSinceHeightFor(...)函数的作用是查找从哪个区块高度开始,该部署的状态就已经和当前一致

class AbstractThresholdConditionChecker {protected: virtual bool Condition(const CBlockIndex *pindex, const Consensus::Params &params) const = 0; virtual int64_t BeginTime(const Consensus::Params &params) const = 0; virtual int64_t EndTime(const Consensus::Params &params) const = 0; virtual int Period(const Consensus::Params &params) const = 0; virtual int Threshold(const Consensus::Params &params) const = 0;
public: ThresholdState GetStateFor(const CBlockIndex *pindexPrev, const Consensus::Params &params, ThresholdConditionCache &cache) const; int GetStateSinceHeightFor(const CBlockIndex *pindexPrev, const Consensus::Params &params, ThresholdConditionCache &cache) const;
};

类 VersionBitsConditionChecker继承了 AbstractThresholdConditionChecker。实现了:

  • BeginTime(const Consensus::Params &params)

  • EndTime(const Consensus::Params &params)

  • Period(const Consensus::Params &params)

  • Threshold(const Consensus::Params &params)

  • Condition(const CBlockIndex *pindex, const Consensus::Params &params)

class VersionBitsConditionChecker : public AbstractThresholdConditionChecker {private: // maybe: DEPLOYMENT_TESTDUMMY,DEPLOYMENT_CSV,MAX_VERSION_BITS_DEPLOYMENTS
const Consensus::DeploymentPos id;protected: int64_t BeginTime(const Consensus::Params &params) const { return params.vDeployments[id].nStartTime;
} int64_t EndTime(const Consensus::Params &params) const { return params.vDeployments[id].nTimeout;
} int Period(const Consensus::Params &params) const { return params.nMinerConfirmationWindow;
} int Threshold(const Consensus::Params &params) const { return params.nRuleChangeActivationThreshold;
} bool Condition(const CBlockIndex *pindex, const Consensus::Params &params) const { return ((
(pindex->nVersion & VERSIONBITS_TOP_MASK) == VERSIONBITS_TOP_BITS) && (pindex->nVersion & Mask(params)) != 0);
}

...
}

另个一重要的类 VersionBitsCache,包括一个方法和一个数组。该数组作为内存缓存使用,该数组的成员是一个map,当检查一个BIP9部署的状态时,如果在检查过程中判断出部署状态,该map会以区块索引为键值,以状态信息(int)为值,缓存起来,在下次检查时可以在该区块位置直接得到其状态信息,对程序起到了优化的作用,避免重复的检索。

struct VersionBitsCache {
ThresholdConditionCache caches[Consensus::MAX_VERSION_BITS_DEPLOYMENTS]; void Clear();
};typedef std::map<const CBlockIndex *, ThresholdState> ThresholdConditionCache;

另外 WarningBitsConditionChecker类也继承了 AbstractThresholdConditionChecker类,实现了对未知升级的追踪与警告。一旦nVersion中有未预料到的位被设置成1,mask将会生成非零的值。当未知升级被检测到处 THRESHOLD_LOCKED_IN状态,软件应该警告用户即将到来未知的软分叉。在下一个目标周期,处于 THRESHOLD_ACTIVE状态是,更应该强调警告用户。

需要说明的是:未知升级只有处于LOCKED_IN或ACTIVE的条件下才会发出警告

...
WarningBitsConditionChecker checker(bit);
ThresholdState state = checker.GetStateFor(pindex, chainParams.GetConsensus(), warningcache[bit]);if (state == THRESHOLD_ACTIVE || state == THRESHOLD_LOCKED_IN) { if (state == THRESHOLD_ACTIVE) {
std::string strWarning =
strprintf(_("Warning: unknown new rules activated (versionbit %i)"), bit);
SetMiscWarning(strWarning); if (!fWarned) {
AlertNotify(strWarning);
fWarned = true;
}
} else {
warningMessages.push_back(
strprintf("unknown new rules are about to activate (versionbit %i)", bit));
}
}
...

代码拆解

  1. GetAncestor(int height)函数在整个模块中的使用率非常高,其作用就是为了返回指定高度的区块索引,作用非常简单但是其代码逻辑不太好理解。可以把整个区块链简单的看成就是一个链表结构,为了获得指定高度的节点信息,一般通过依次移动指针到指定区块即可。在该模块中,使用CBlockIndex类中的pskip字段,配合 GetSkipHeight(int height)函数,能够快速定位到指定高度的区块,优化了执行的效率。

    CBlockIndex *CBlockIndex::GetAncestor(int height) { if (height > nHeight || height < 0) { return nullptr;
    }
    CBlockIndex *pindexWalk = this; int heightWalk = nHeight; while (heightWalk > height) { int heightSkip = GetSkipHeight(heightWalk); int heightSkipPrev = GetSkipHeight(heightWalk - 1); if (pindexWalk->pskip != nullptr &&
    (heightSkip == height || (heightSkip > height && !(heightSkipPrev < heightSkip - 2 && heightSkipPrev >= height)))) {
    pindexWalk = pindexWalk->pskip;
    heightWalk = heightSkip;
    } else {
    assert(pindexWalk->pprev);
    pindexWalk = pindexWalk->pprev;
    heightWalk--;
    }
    } return pindexWalk;
    }static inline int GetSkipHeight(int height) { if (height < 2) { return 0;
    }
    return (height & 1) ? InvertLowestOne(InvertLowestOne(height - 1)) + 1 : InvertLowestOne(height);
    }

  2. 在整个模块中进行时间比较判断是都使用了GetMedianTimePast(), 其作用就是找出当前区块前的10个区块,排序后,返回第5个元素的nTime

    enum { nMedianTimeSpan = 11 };int64_t GetMedianTimePast() const { int64_t pmedian[nMedianTimeSpan];
    int64_t *pbegin = &pmedian[nMedianTimeSpan]; int64_t *pend = &pmedian[nMedianTimeSpan]; const CBlockIndex *pindex = this; for (int i = 0; i < nMedianTimeSpan && pindex; i++, pindex = pindex->pprev) {
    *(--pbegin) = pindex->GetBlockTime();
    } std::sort(pbegin, pend);
    return pbegin[(pend - pbegin) / 2];
    }

    逻辑如下:

    • 创建包含11个元素的数组,包括该区块和之前的10个区块

    • pbegin、pend两个游标(数组游标)指向数组末端

    • 遍历11个区块,pindex游标不断地向前移动

    • 数组游标向前移动,并将pindex获取的时间戳赋值给数组

    • 对数组排序(排序的原因是:区块时间戳是不可靠的字段,其大小与创建区块顺序可能不一致)

    • 11个区块去中间的元素,也就是数组下标为5的元素,因为是奇数个元素,所以不用进行判断下标无效的问题

  3. GetStateFor(...)函数在整个模块中至关重要,负责获取BIP9部署的状态信息。首先说明的是在一个目标周期之内,一个BIP9部署的状态是相同的,也就是说部署状态只会在难度目标发生改变之后才会更新。GetStateFor(...)函数获取的是上一个目标周期的最后一个区块的状态,如果该状态可以判断出部署状态则得出结果,并将结果保存在 VersionBitsCache结构体中;如果该状态已经存在于缓存中则直接返回结果;最后如果该区块无法得出状态信息,则会依次寻找(pindexPrev.nHeight - nPeriod)高度的状态信息,直到能够得出结果。如果直到nullptr也没有,则返回 THRESHOLD_DEFINED。其中比较重要的是,如果一个区块表明该部署状态处于 THRESHOLD_STARTED,则会进行更为详细的判断,以证明其状态是否以及失败或者可以进入LOCKED_IN阶段。

    ThresholdState AbstractThresholdConditionChecker::GetStateFor(...){
    ... if (pindexPrev != nullptr) {
    pindexPrev = pindexPrev->GetAncestor(
    pindexPrev->nHeight - ((pindexPrev->nHeight + 1) % nPeriod));
    }

    std::vector<const CBlockIndex *> vToCompute;
    while (cache.count(pindexPrev) == 0) {
    if (pindexPrev == nullptr) {
    cache[pindexPrev] = THRESHOLD_DEFINED; break;
    } if (pindexPrev->GetMedianTimePast() < nTimeStart) {
    cache[pindexPrev] = THRESHOLD_DEFINED; break;
    }
    vToCompute.push_back(pindexPrev);
    pindexPrev = pindexPrev->GetAncestor(pindexPrev->nHeight - nPeriod);
    }
    assert(cache.count(pindexPrev));
    ThresholdState state = cache[pindexPrev]; while (!vToCompute.empty()) {
    ThresholdState stateNext = state;
    pindexPrev = vToCompute.back();
    vToCompute.pop_back();
    switch (state) { case THRESHOLD_DEFINED: { if (pindexPrev->GetMedianTimePast() >= nTimeTimeout) {
    stateNext = THRESHOLD_FAILED;
    } else if (pindexPrev->GetMedianTimePast() >= nTimeStart) {
    stateNext = THRESHOLD_STARTED;
    } break;
    } case THRESHOLD_STARTED: {
    if (pindexPrev->GetMedianTimePast() >= nTimeTimeout) {
    stateNext = THRESHOLD_FAILED; break;
    } const CBlockIndex *pindexCount = pindexPrev;
    int count = 0; for (int i = 0; i < nPeriod; i++) { if (Condition(pindexCount, params)) {
    count++;
    }
    pindexCount = pindexCount->pprev;
    } if (count >= nThreshold) {
    stateNext = THRESHOLD_LOCKED_IN;
    } break;
    } case THRESHOLD_LOCKED_IN: {
    stateNext = THRESHOLD_ACTIVE; break;
    } case THRESHOLD_FAILED: case THRESHOLD_ACTIVE: { break;
    }
    }
    cache[pindexPrev] = state = stateNext;
    }
    }

    举例说明:

    • 针对某个 bit 位的部署,height( 0 -> 2014 )区块的所有状态都为THRESHOLD_DEFINED;

    • 当父区块的高度为 2015 时(即当每次获取本轮第二个区块时,才会对本轮的第一个块的状态进行赋值,然后本轮所有块的时间都与本轮第一个块的状态相同),因为它不在全局缓存中,则进入条件,且它的MTP时间 >= startTime, 将该块的索引加入临时集合中,并将指针向前推至上一轮的初始块(此时这个块在集合中),进入接下来的条件执行。

    • 当父区块的高度为 4031(即当前的块为4032时),它不在全局缓存中,进入条件,且它的MTP时间 >= startTime,将该块的索引加入临时集合中,并将指针向前推至上一轮的初始块(此时这个块在集合中),进入接下来的条件执行。

    • 当父区块的高度为 6047(即当前的块为6048时),它不在全局状态中,进入条件,且它的MTP时间 >= startTime,将该块的索引加入临时集合中,并将指针向前推至上一轮的初始块(此时这个块在集合中),进入接下来的条件执行。

    • 遍历临时集合,因为上一轮的撞态为 THRESHOLD_DEFINED,且本轮初始块的时间 >= startTime,将本轮的状态转换为 THRESHOLD_STARTED

    • 遍历临时集合,因为上一轮的状态为 THRESHOLD_STARTED,且本轮初始块的时间 < timeout, 将统计上一轮部署该bit位的区块个数(即从 2016 ->4031),假设部署的个数超过阈值(95%),将本轮的状态转换为 LOCKED_IN

    • 遍历临时集合,因为上一轮的状态为 THRESHOLD_LOCKED_IN,将本轮的状态自动切换为 THRESHOLD_ACTIVE

    • 即 2015 -> 4030 之间所有块的状态,都与索引为2015 的块的部署状态相同。

    • 状态转换: THRESHOLD_DEFINED-> THRESHOLD_STARTED-> THRESHOLD_LOCKED_IN-> THRESHOLD_ACTIVE

    • 从0 -> 2015 -> 4031 -> 6047;

    • bitcoin 中的版本检测按照 nMinerConfirmationWindow为一轮进行检测,在本轮之间的所有区块,都与本轮的第一个块状态相同。

    • 示例:

  4. GetStateSinceHeightFor()函数获取本轮状态开始时的区块所在高度; 开始这个状态轮次的第二个区块的高度(因为每轮块的状态更新,都是当计算每轮第二个块时,才会去计算,然后把计算的结果缓存在全局缓存中;因为所有块的状态都是根据它的父区块确定的);

    int AbstractThresholdConditionChecker::GetStateSinceHeightFor( const CBlockIndex *pindexPrev, const Consensus::Params &params,
    ThresholdConditionCache &cache) const { const ThresholdState initialState = GetStateFor(pindexPrev, params, cache); // BIP 9 about state DEFINED: "The genesis block is by definition in this
    if (initialState == THRESHOLD_DEFINED) { return 0;
    } const int nPeriod = Period(params);

    pindexPrev = pindexPrev->GetAncestor(pindexPrev->nHeight - ((pindexPrev->nHeight + 1) % nPeriod));
    const CBlockIndex *previousPeriodParent = pindexPrev->GetAncestor(pindexPrev->nHeight - nPeriod);
    while (previousPeriodParent != nullptr &&
    GetStateFor(previousPeriodParent, params, cache) == initialState) {
    pindexPrev = previousPeriodParent;
    previousPeriodParent =
    pindexPrev->GetAncestor(pindexPrev->nHeight - nPeriod);
    }
    // Adjust the result because right now we point to the parent block.
    return pindexPrev->nHeight + 1;
    }

    逻辑如下:

    • 如果其状态与当前状态相同则向上一个目标周期寻找

    • 当状态某个轮次的状态与本轮的状态不同时,退出上述循环,然后返回这种状态开始时的高度

    • 获取本轮的块的状态, 如果为 THRESHOLD_DEFINED直接返回0

    • 获取本目标周期的初始块和上一目标周期的初始块

    • 当上一轮的初始块不为NULL,并且状态与本轮状态相同时,进入循环逻辑

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