Bitcoin源代码分析:VersionBits模块解析

By Copernicus at: 2018-02-21

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。

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struct BIP9Deployment {
    int bit;					
    int64_t nStartTime;		
    int64_t nTimeout;
};


// namespace:Consensus
struct 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。

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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)。

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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。

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

states

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
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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)
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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。

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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

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...
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。

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    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

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    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

  1. 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。

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    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:

    • 从0 -> 2015 -> 4031 -> 6047;

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

    • 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。

      • 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。
    • 示例：
      • 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。
        • 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；
      • 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。
        • 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；
      • 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，因为上一轮的状态为THRESHOLD_LOCKED_IN，将本轮的状态自动切换为THRESHOLD_ACTIVE。

  2. 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:

- 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
    * 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

本文由Copernicus团队 戚帅、姚永芯写作，转载无需授权