死磕以太坊源碼分析之p2p節點發現

在閱讀節點發現源碼之前必須要理解kadmilia算法，可以參考：KAD算法詳解。

節點發現概述

節點發現，使本地節點得知其他節點的信息，進而加入到p2p網絡中。

以太坊的節點發現基于類似的kademlia算法，源碼中有兩個版本，v4和v5。v4適用于全節點，通過discover.ListenUDP使用，v5適用于輕節點通過discv5.ListenUDP使用，本文介紹的是v4版本。

節點發現功能主要涉及 Server Table udp 這幾個數據結構，它們有獨自的事件響應循環，節點發現功能便是它們互相協作完成的。其中，每個以太坊客戶端啟動后都會在本地運行一個Server，并將網絡拓撲中相鄰的節點視為Node，而Table是Node的容器，udp則是負責維持底層的連接。這些結構的關系如下圖：

image-20201123210628944

p2p服務開啟節點發現

在P2p的server.go 的start方法中:

if?err?:=?srv.setupDiscovery();?err?!=?nil?{
??return?err
?}

進入到setupDiscovery中：

//?Discovery?V4
?var?unhandled?chan?discover.ReadPacket
?var?sconn?*sharedUDPConn
?if?!srv.NoDiscovery?{
??...
??ntab,?err?:=?discover.ListenUDP(conn,?srv.localnode,?cfg)
??....
?}

discover.ListenUDP方法即開啟了節點發現的功能.

首先解析出監聽地址的UDP端口，根據端口返回與之相連的UDP連接，之后返回連接的本地網絡地址，接著設置最后一個UDP-on-IPv4端口。到此為止節點發現的一些準備工作做好，接下下來開始UDP的監聽：

ntab,?err?:=?discover.ListenUDP(conn,?srv.localnode,?cfg)

然后進行UDP 的監聽，下面是監聽的過程：

監聽UDP

//?監聽給定的socket?上的發現的包
func?ListenUDP(c?UDPConn,?ln?*enode.LocalNode,?cfg?Config)?(*UDPv4,?error)?{
?return?ListenV4(c,?ln,?cfg)
}
func?ListenV4(c?UDPConn,?ln?*enode.LocalNode,?cfg?Config)?(*UDPv4,?error)?{
?closeCtx,?cancel?:=?context.WithCancel(context.Background())
?t?:=?&UDPv4{
??conn:????????????c,
??priv:????????????cfg.PrivateKey,
??netrestrict:?????cfg.NetRestrict,
??localNode:???????ln,
??db:??????????????ln.Database(),
??gotreply:????????make(chan?reply),
??addReplyMatcher:?make(chan?*replyMatcher),
??closeCtx:????????closeCtx,
??cancelCloseCtx:??cancel,
??log:?????????????cfg.Log,
?}
?if?t.log?==?nil?{
??t.log?=?log.Root()
?}

?tab,?err?:=?newTable(t,?ln.Database(),?cfg.Bootnodes,?t.log)?//?
?if?err?!=?nil?{
??return?nil,?err
?}
?t.tab?=?tab
?go?tab.loop()?//

?t.wg.Add(2)
?go?t.loop()?//
?go?t.readLoop(cfg.Unhandled)?//
?return?t,?nil
}

主要做了以下幾件事：

1.新建路由表

tab,?err?:=?newTable(t,?ln.Database(),?cfg.Bootnodes,?t.log)?

新建路由表做了以下幾件事：

• 初始化table對象
• 設置bootnode(setFallbackNodes)
  • 節點第一次啟動的時候，節點會與硬編碼在以太坊源碼中的bootnode進行連接，所有的節點加入幾乎都先連接了它。連接上bootnode后，獲取bootnode部分的鄰居節點，然后進行節點發現，獲取更多的活躍的鄰居節點
  • nursery 是在 Table 為空并且數據庫中沒有存儲節點時的初始連接節點(上文中的 6 個節點)，通過 bootnode 可以發現新的鄰居
• tab.seedRand：使用提供的種子值將生成器初始化為確定性狀態
• loadSeedNodes：加載種子節點；從保留已知節點的數據庫中隨機的抽取30個節點，再加上引導節點列表中的節點，放置入k桶中，如果K桶沒有空間，則假如到替換列表中。

2.測試鄰居節點連通性

首先知道UDP協議是沒有連接的概念的，所以需要不斷的ping 來測試對端節點是否正常，在新建路由表之后，就來到下面的循環，不斷的去做上面的事。

go?tab.loop()

定時運行doRefresh、doRevalidate、copyLiveNodes進行刷新K桶。

以太坊的k桶設置：

const?(
?alpha???????????=?3??//?Kademlia并發參數,?是系統內一個優化參數,控制每次從K桶最多取出節點個數,ethereum取值3
??
?bucketSize??????=?16?//?K桶大小(可容納節點數)
??
?maxReplacements?=?10?//?每桶更換列表的大小
?hashBits??????????=?len(common.Hash{})?*?8?//每個節點ID長度,32*8=256,?32位16進制
?nBuckets??????????=?hashBits?/?15???????//??K桶個數
??)

首先搞清楚這三個定時器運行的時間：

refreshInterval????=?30?*?time.Minute
revalidateInterval?=?10?*?time.Second
copyNodesInterval??=?30?*?time.Second

doRefresh

doRefresh對隨機目標執行查找以保持K桶已滿。如果表為空(初始引導程序或丟棄的有故障)，則插入種子節點。

主要以下幾步：

從數據庫加載隨機節點和引導節點。這應該會產生一些以前見過的節點

tab.loadSeedNodes()

將本地節點ID作為目標節點進行查找最近的鄰居節點

tab.net.lookupSelf()
func?(t?*UDPv4)?lookupSelf()?[]*enode.Node?{
?return?t.newLookup(t.closeCtx,?encodePubkey(&t.priv.PublicKey)).run()
}
func?(t?*UDPv4)?newLookup(ctx?context.Context,?targetKey?encPubkey)?*lookup?{
?...
??return?t.findnode(n.ID(),?n.addr(),?targetKey)
?})
?return?it
}

向這些節點發起findnode操作查詢離target節點最近的節點列表,將查詢得到的節點進行ping-pong測試,將測試通過的節點落庫保存

經過這個流程后,節點的K桶就能夠比較均勻地將不同網絡節點更新到本地K桶中。

unc?(t?*UDPv4)?findnode(toid?enode.ID,?toaddr?*net.UDPAddr,?target?encPubkey)?([]*node,?error)?{
?t.ensureBond(toid,?toaddr)
?nodes?:=?make([]*node,?0,?bucketSize)
?nreceived?:=?0
??//?設置回應回調函數，等待類型為neighborsPacket的鄰近節點包，如果類型對，就執行回調請求
?rm?:=?t.pending(toid,?toaddr.IP,?p_neighborsV4,?func(r?interface{})?(matched?bool,?requestDone?bool)?{
??reply?:=?r.(*neighborsV4)
??for?_,?rn?:=?range?reply.Nodes?{
???nreceived++
??????//?得到一個簡單的node結構
???n,?err?:=?t.nodeFromRPC(toaddr,?rn)
???if?err?!=?nil?{
????t.log.Trace("Invalid?neighbor?node?received",?"ip",?rn.IP,?"addr",?toaddr,?"err",?err)
????continue
???}
???nodes?=?append(nodes,?n)
??}
??return?true,?nreceived?>=?bucketSize
?})
??//上面了一個管道事件，下面開始發送真正的findnode報文，然后進行等待了
?t.send(toaddr,?toid,?&findnodeV4{
??Target:?????target,
??Expiration:?uint64(time.Now().Add(expiration).Unix()),
?})
?return?nodes,?}

查找3個隨機的目標節點

for?i?:=?0;?i?3;?i++?{
??tab.net.lookupRandom()
?}

doRevalidate

doRevalidate檢查隨機存儲桶中的最后一個節點是否仍然存在，如果不是，則替換或刪除該節點。

主要以下幾步：

返回隨機的非空K桶中的最后一個節點

last,?bi?:=?tab.nodeToRevalidate()

對最后的節點執行Ping操作，然后等待Pong

remoteSeq,?err?:=?tab.net.ping(unwrapNode(last))

如果節點ping通了的話，將節點移動到最前面

tab.bumpInBucket(b,?last)

沒有收到回復，選擇一個替換節點，或者如果沒有任何替換節點，則刪除該節點

tab.replace(b,?last)

copyLiveNodes

copyLiveNodes將表中的節點添加到數據庫,如果節點在表中的時間超過了5分鐘。

這部分代碼比較簡單，就伸展闡述。

if?n.livenessChecks?>?0?&&?now.Sub(n.addedAt)?>=?seedMinTableTime?{
????tab.db.UpdateNode(unwrapNode(n))
???}

3.檢測各類信息

go?t.loop()

loop循環主要監聽以下幾類消息：

• case
• p :=
• r :=

4. 處理UDP數據包

go?t.readLoop(cfg.Unhandled)

主要有以下兩件事：

循環接收其他節點發來的udp消息

nbytes,?from,?err?:=?t.conn.ReadFromUDP(buf)

處理接收到的UDP消息

t.handlePacket(from,?buf[:nbytes])

接下來對這兩個函數進行進一步的解析。

接收UDP消息

接收UDP消息比較的簡單，就是不斷的從連接中讀取Packet數據，它有以下幾種消息：

• ping：用于判斷遠程節點是否在線。

• pong：用于回復ping消息的響應。

• findnode：查找與給定的目標節點相近的節點。

• neighbors：用于回復findnode的響應，與給定的目標節點相近的節點列表

---

處理UDP消息

主要做了以下幾件事：

數據包解碼

packet,?fromKey,?hash,?err?:=?decodeV4(buf)

檢查數據包是否有效，是否可以處理

?packet.preverify(t,?from,?fromID,?fromKey)

在校驗這一塊，涉及不同的消息類型不同的校驗，我們來分別對各種消息進行分析。

①：ping

②：pong

③：findNodes

④：neighbors

• 校驗消息是否過期
• 用于回復findnode的響應，校驗回復是否正確
• 校驗消息是否過期
• 校驗節點是否是最近的節點
• 校驗消息是否過期
• 校驗回復是否正確
• 校驗消息是否過期
• 校驗公鑰是否有效

處理packet數據

packet.handle(t,?from,?fromID,?hash)

相同的，也會有4種消息，但是我們這邊重點講處理findNodes的消息：

func?(req?*findnodeV4)?handle(t?*UDPv4,?from?*net.UDPAddr,?fromID?enode.ID,?mac?[]byte)?{
...
}

我們這里就稍微介紹下如何處理findnode的消息：

func?(req?*findnodeV4)?handle(t?*UDPv4,?from?*net.UDPAddr,?fromID?enode.ID,?mac?[]byte)?{
?//?確定最近的節點
?target?:=?enode.ID(crypto.Keccak256Hash(req.Target[:]))
?t.tab.mutex.Lock()
?//最接近的返回表中最接近給定id的n個節點
?closest?:=?t.tab.closest(target,?bucketSize,?true).entries
?t.tab.mutex.Unlock()
?//?以每個數據包最多maxNeighbors的塊的形式發送鄰居，以保持在數據包大小限制以下。
?p?:=?neighborsV4{Expiration:?uint64(time.Now().Add(expiration).Unix())}
?var?sent?bool
?for?_,?n?:=?range?closest?{?//掃描這些最近的節點列表，然后一個包一個包的發送給對方
??if?netutil.CheckRelayIP(from.IP,?n.IP())?==?nil?{
???p.Nodes?=?append(p.Nodes,?nodeToRPC(n))
??}
??if?len(p.Nodes)?==?maxNeighbors?{
???t.send(from,?fromID,?&p)//給對方發送?neighborsPacket?包，里面包含節點列表
???p.Nodes?=?p.Nodes[:0]
???sent?=?true
??}
?}
?if?len(p.Nodes)?>?0?||?!sent?{
??t.send(from,?fromID,?&p)
?}
}

首先先確定最近的節點，再一個包一個包的發給對方，并校驗節點的IP，最后把有效的節點發送給請求方。

---

涉及的結構體：

UDP

• conn ：接口，包括了從UDP中讀取和寫入，關閉UDP連接以及獲取本地地址。
• netrestrict：IP網絡列表
• localNode：本地節點
• tab：路由表

---

Table

• buckets：所有節點都加到這個里面，按照距離

• nursery：啟動節點

• rand：隨機來源

• ips：跟蹤IP，確保IP中最多N個屬于同一網絡范圍

• net: UDP 傳輸的接口

  • 返回本地節點
  • 將enrRequest發送到給定的節點并等待響應
  • findnode向給定節點發送一個findnode請求，并等待該節點最多發送了k個鄰居
  • 返回查找最近的節點
  • 將ping消息發送到給定的節點，然后等待答復

以下是table的結構圖：

image-20201112104254003

---

思維導圖

思維導圖獲取地址

image-20201123211034861

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總結

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