扣丁學(xué)堂區(qū)塊鏈培訓(xùn)之如何接入比特幣網(wǎng)絡(luò)及原理分析
2018-09-18 13:57:33
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今天扣丁學(xué)堂區(qū)塊鏈培訓(xùn)給大家介紹一下關(guān)于從零開(kāi)始學(xué)習(xí)區(qū)塊鏈技術(shù)之如何接入比特幣網(wǎng)絡(luò)以及其原理分析的詳細(xì)介紹，下面我們一起來(lái)看一下吧。
1、如何接入比特幣網(wǎng)絡(luò)？
其實(shí)接入比特幣網(wǎng)絡(luò)是非常簡(jiǎn)單的，我說(shuō)了你一定不信，啟動(dòng)比特幣客戶端即可：
在命令行終端輸入啟動(dòng)命令：./src/bitcoind-testnet
輸入之后會(huì)有一個(gè)和網(wǎng)絡(luò)同步數(shù)據(jù)的過(guò)程，你會(huì)看到：
?這個(gè)過(guò)程需要一點(diǎn)時(shí)間，同步數(shù)據(jù)完成后，即接入了比特幣網(wǎng)絡(luò)。
2、啟動(dòng)流程鳥(niǎo)瞰
雖然說(shuō)一句命令即搞定，但是，這個(gè)背后代碼運(yùn)行的邏輯可就不簡(jiǎn)單咯～
來(lái)，我給大家分析一下
當(dāng)在命令行終端輸入啟動(dòng)命令：./src/bitcoind-testnet后，操作系統(tǒng)就會(huì)找到這個(gè)文件中的main函數(shù)，開(kāi)始比特幣客戶端的啟動(dòng)。
對(duì)于所有的c++代碼，整個(gè)程序都是從main函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行的，bitcoind的main函數(shù)位于src/bitcoind.cpp，代碼拉到最后就找到了我們的main函數(shù)。
main函數(shù)本身沒(méi)有太多東西，主要是調(diào)用3個(gè)函數(shù)來(lái)執(zhí)行，它們的主要作用是設(shè)置環(huán)境變量、設(shè)置信號(hào)處理和啟動(dòng)系統(tǒng)。
具體代碼如下：
int main(int argc, char* argv[])
{
SetupEnvironment();
// Connect bitcoind signal handlers
noui_connect();
return (AppInit(argc, argv) ? EXIT_SUCCESS : EXIT_FAILURE);
}
這段代碼簡(jiǎn)單說(shuō)明如下：
SetupEnvironment函數(shù)，主要用來(lái)設(shè)置系統(tǒng)的環(huán)境變量，包括：malloc分配內(nèi)存的行為、Locale、文件路徑的本地化設(shè)置等。
noui_connect函數(shù)，設(shè)置連接到bitcoind的信號(hào)的處理。
AppInit函數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)啟動(dòng)。
下面我們重點(diǎn)講下AppInit函數(shù)的執(zhí)行
調(diào)用SetupServerArgs函數(shù)，設(shè)置系統(tǒng)可接受的所有命令行參數(shù)。然后開(kāi)始解析命令行傳遞的各種參數(shù)。系統(tǒng)執(zhí)行的重要一步就是設(shè)置可以接收的參數(shù)并解析用戶啟動(dòng)時(shí)傳遞的各種參數(shù)，SetupServerArgs函數(shù)就是完成這個(gè)目的。下面來(lái)看這個(gè)函數(shù)的執(zhí)行流程。
首先，調(diào)用CreateBaseChainParams函數(shù)，生成默認(rèn)的基本參數(shù)，包括：使用的數(shù)據(jù)目錄和監(jiān)聽(tīng)的端口。根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)類型，主網(wǎng)絡(luò)使用8332端口和指定目錄下的當(dāng)前目錄，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)使用18332端口和指定目錄下的testnet3子目錄，回歸測(cè)試網(wǎng)絡(luò)使用18443端口和指定目錄下的regtest子目錄。
然后，調(diào)用CreateChainParams函數(shù)，生成默認(rèn)的區(qū)塊鏈參數(shù)。這個(gè)方法也會(huì)區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)。如果是主網(wǎng)絡(luò)，則生成CMainParams對(duì)象進(jìn)行初始化。在構(gòu)造函數(shù)中，進(jìn)行如下的設(shè)置：
設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID為main；
設(shè)置共識(shí)參數(shù)（Consensus::Params）的各個(gè)值：
每隔多少個(gè)塊（nSubsidyHalvingInterval）后續(xù)比特幣的獎(jiǎng)勵(lì)會(huì)減半，值為210000。根據(jù)創(chuàng)世區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)的數(shù)量（50），根據(jù)等比數(shù)列求和公式：
50?(1/(1?0.5))?210000"role="presentation">50?(1/(1?0.5))?21000050?(1/(1?0.5))?210000
，可計(jì)算貨幣總量為2100W個(gè)比特幣。
BIP34激活高度（BIP34Height）為227931。
BIP34激活哈希（BIP34Hash）為0x000000000000024b89b42a942fe0d9fea3bb44ab7bd1b19115dd6a759c0808b8。
BIP65激活高度（BIP65Height）為388381。
BIP66激活高度（BIP66Height）為363725。
工作量限制（powLimit）為一個(gè)大整數(shù)。
難度改變的周期（nPowTargetTimespan）為2周。
平均出塊時(shí)間（nPowTargetSpacing）為10分鐘。
改變共識(shí)需要的區(qū)塊數(shù)（nRuleChangeActivationThreshold）為1916，即2016的95%。
礦工確認(rèn)窗口（nMinerConfirmationWindow）為2016，等于難度改變周期除以平均出塊時(shí)間。
接下來(lái)設(shè)置區(qū)塊鏈相關(guān)的部署狀態(tài)，包括：測(cè)試相關(guān)的（DEPLOYMENT_TESTDUMMY）、CSV軟分叉相關(guān)的（涉及到BIP68、BIP112、BIP113）和隔離見(jiàn)證相關(guān)的（涉及到BIP141、BIP143、BIP147）。
最佳區(qū)塊鏈的最小工作量。
設(shè)置默認(rèn)端口（nDefaultPort）為8333。
達(dá)到多少個(gè)區(qū)塊之后進(jìn)行區(qū)塊修剪（nPruneAfterHeight），當(dāng)前值為100000。
接下來(lái)，調(diào)用CreateGenesisBlock方法，生成創(chuàng)世區(qū)塊。這個(gè)方法的參數(shù)是固定的，指定了創(chuàng)世區(qū)塊的時(shí)間、隨機(jī)數(shù)、難度值、版本號(hào)、獎(jiǎng)勵(lì)等。在方法內(nèi)部，生成創(chuàng)世區(qū)塊的輸出腳本和輸入腳本，中本聰那句著名的評(píng)論就出現(xiàn)在創(chuàng)世區(qū)塊的第一個(gè)交易的簽名中，他寫(xiě)道：TheTimes03/Jan/2009Chancelloronbrinkofsecondbailoutforbanks。
設(shè)置創(chuàng)世區(qū)塊的哈希為剛生成的創(chuàng)業(yè)區(qū)塊的哈希。
設(shè)置DNS種子節(jié)點(diǎn)vSeeds集合包含的DNS種子有：seed.bitcoin.sipa.be，dnsseed.bluematt.me，dnsseed.bitcoin.dashjr.org，seed.bitcoinstats.com，seed.bitcoin.jonasschnelli.ch，seed.btc.petertodd.org，seed.bitcoin.sprovoost.nl等，通過(guò)解析DNS種子節(jié)點(diǎn)，比特幣節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)可以找到更多的對(duì)等節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行連接。
接下來(lái)，設(shè)置相關(guān)的檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)。
如果是測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，則生成CTestNetParams對(duì)象進(jìn)行初始化。（供開(kāi)發(fā)完成后測(cè)試使用。）
如果是回歸測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，則生成CRegTestParams對(duì)象進(jìn)行初始化。（供開(kāi)發(fā)時(shí)連接使用。）
對(duì)于這兩種測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，處理基本和主網(wǎng)絡(luò)相同，只是某些參數(shù)不一樣。
上面提到的3個(gè)對(duì)象CMainParamsCTestNetParamsCRegTestParams的定義都在chainparams.cpp文件中。感興趣同學(xué)的可以對(duì)照源代碼進(jìn)一步探究。
接下來(lái)，設(shè)置系統(tǒng)可接收的所有參數(shù)。部分參數(shù)解釋如下：
-version，打印版本信息，并退出系統(tǒng)。
-assumevalid=hex，如果指定的區(qū)塊存在區(qū)塊鏈中，假定它及其祖先有效并可能跳過(guò)其腳本驗(yàn)證。
-blocksdir=dir，指定區(qū)塊鏈存放的目錄。
-blocknotify=cmd，指定當(dāng)主鏈上的區(qū)塊改變時(shí)執(zhí)行的命令。
-conf=file，指定配置文件的目錄，相對(duì)于下面指定的數(shù)據(jù)目錄。
-datadir=dir，指定數(shù)據(jù)目錄。
-dbcache=n，設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)緩存大小。
-debuglogfile=file，設(shè)置調(diào)試文件的位置。
-feefilter，告訴其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)最小交易費(fèi)用過(guò)濾發(fā)送給我們的庫(kù)存消息。
-loadblock=file，在啟動(dòng)時(shí)，從外部blk000??.dat文件導(dǎo)入?yún)^(qū)塊。
-maxmempool=n，指定交易池的最大內(nèi)存數(shù)，單位為兆字節(jié)。
-maxorphantx=n，指定內(nèi)存中最大的孤兒交易數(shù)量。
-mempoolexpiry=n，指定交易池中不跟蹤超過(guò)指定時(shí)間（小時(shí)）的交易。
-par=n，指定腳本簽名的線程數(shù)量。
-persistmempool，指定是否持久化交易池中的交易，啟動(dòng)時(shí)恢復(fù)加載。
-pid=file，指定進(jìn)程文件。
-prune=n，通過(guò)啟用舊區(qū)塊的修剪（刪除）來(lái)降低存儲(chǔ)要求。這允許調(diào)用pruneblockchainRPC來(lái)刪除特定塊，并且如果提供目標(biāo)大小，則啟用對(duì)舊塊的自動(dòng)修剪。此模式與-txindex和-rescan不兼容。
-reindex，根據(jù)硬盤(pán)上的blk*.dat文件重建區(qū)塊鏈狀態(tài)和區(qū)塊的索引。
-reindex-chainstate，根據(jù)當(dāng)前區(qū)塊的索引重建區(qū)塊鏈的狀態(tài)。
-txindex，維護(hù)所有交易的索引，被getrawtransactionRPC命令調(diào)用。
-addnode=ip，添加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并連接它，并保持連接。
-banscore=n，斷開(kāi)行為不端的同伴的門檻。
-bantime=n，不誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)重新連接需要的秒數(shù)。
-bind=addr，綁定到指定的IP，并總是連接到這個(gè)地址。
-connect=ip，僅僅只連接到指定的節(jié)點(diǎn)，如果不是ip而是0，則表示禁止自動(dòng)連接。
-discover，是否發(fā)現(xiàn)自己的IP地址。
-dns，對(duì)于-addnode、-seednode、-connect總是使用DNS查找。
-dnsseed，指定如果已有地址比較少，則進(jìn)行DNS查找來(lái)獲取對(duì)等節(jié)點(diǎn)。
-enablebip61，允許發(fā)送BIP61定義的拒絕消息。
-externalip=ip，指定自身的外部IP地址。
-forcednsseed，總是通過(guò)DNS查找來(lái)獲取對(duì)等節(jié)點(diǎn)的地址。
-listen，接收外部對(duì)等節(jié)點(diǎn)的連接。
-listenonion，自動(dòng)創(chuàng)建Tor隱藏服務(wù)。
-maxconnections=n，維護(hù)到別的節(jié)點(diǎn)的最大連接數(shù)。
-maxreceivebuffer=n，每個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)的最大接收緩存。
-maxsendbuffer=n，每個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)送緩存。
-onion=ip:port，設(shè)置SOCKS5代理。
-peerbloomfilters，支持布隆過(guò)濾器過(guò)濾區(qū)塊和交易。
-permitbaremultisig，中繼非P2SH多重簽名。
-port=port，指定默認(rèn)的監(jiān)聽(tīng)端口。
-proxy=ip:port，通過(guò)SOCKS5代理進(jìn)行連接。
-proxyrandomize，隨機(jī)化每個(gè)代理連接的憑據(jù)。從而使Tor流進(jìn)行隔離。
-seednode=ip，指定一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)檢索其他的節(jié)點(diǎn)，隨后就從這個(gè)接點(diǎn)進(jìn)行斷開(kāi)。
-torcontrol=ip:port，在onion啟用的情況下，指定Tor控制器使用的端口。
-torpassword=pass，Tor控制器的密碼。
-checkblocks=n，在啟動(dòng)時(shí)要檢查多少個(gè)區(qū)塊。
-checklevel=n，checkblocks驗(yàn)證區(qū)塊的程度。
-checkblockindex，進(jìn)行完整的一致性檢查，包括：mapBlockIndex、setBlockIndexCandidates、chainActive、mapBlocksUnlinked等。
-checkmempool=n，每多少個(gè)交易進(jìn)行檢驗(yàn)。
-checkpoints，提供檢查點(diǎn)，對(duì)已知鏈的歷史不進(jìn)行檢驗(yàn)。
-deprecatedrpc=method，不贊成使用的RPC方法。
-limitancestorcount=n，如果交易池中的祖先交易達(dá)到或超過(guò)指定的值時(shí)，不再接收交易。
-limitancestorsize=n，如果交易池中的祖先交易大小達(dá)到或超過(guò)指定的值時(shí)，不再接收交易。
-limitdescendantcount=n，如果交易池中祖先交易的后代已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)指定的值時(shí)，不再接收交易。
-blockmaxweight=n，設(shè)置BIP141區(qū)塊的最大weight。
-blockmintxfee=amt，設(shè)置包含在創(chuàng)建區(qū)塊的交易最小費(fèi)用。
-rpcuser=user，進(jìn)行RPC調(diào)用的用戶名。
-rpcpassword=pw，進(jìn)行RPC調(diào)用的用戶密碼。
-rpcport=port，進(jìn)行RPC調(diào)用的端口
上面是一些常用的參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)可以影響比特幣核心的命令。應(yīng)用開(kāi)發(fā)者比較關(guān)注的是RPC相關(guān)的設(shè)置，通過(guò)RPC接口，我們調(diào)用比特幣核心提供的多種服務(wù)。這些命令通常會(huì)在配置文件中進(jìn)行設(shè)置，不用在命令行指定。
接下來(lái)，檢查用戶指定命令參數(shù)是否正確。
if (!gArgs.ParseParameters(argc, argv, error)) {
fprintf(stderr, "Error parsing command line arguments: %s\n", error.c_str());
return false;
}
如果傳遞的是幫助和版本參數(shù)，則顯示幫助或版本信息，然后退出。
檢查數(shù)據(jù)目錄（可指定或默認(rèn)）是否是存在。如果不存在，則打印錯(cuò)誤信息，然后退出。
if (!fs::is_directory(GetDataDir(false)))
{
fprintf(stderr, "Error: Specified data directory \"%s\" does not exist.\n", gArgs.GetArg("-datadir", "").c_str());
return false;
}
在GetDataDir方法中，根據(jù)用戶是否在命令行提供datadir參數(shù)來(lái)確定使用默認(rèn)的數(shù)據(jù)目錄還是用戶指定的數(shù)據(jù)目錄。
讀取并解析配置文件，同時(shí)檢查指定數(shù)據(jù)目錄是否存在。如果任何一個(gè)步驟出錯(cuò)，都打印錯(cuò)誤信息，然后退出。
if (!gArgs.ReadConfigFiles(error, true)) {
fprintf(stderr, "Error reading configuration file: %s\n", error.c_str());
return false;
}
其中ReadConfigFiles方法具體處理如下：
首先，調(diào)用GetArg方法，獲取配置文件名稱，默認(rèn)為bitcoin.conf。
然后，通過(guò)GetConfigFile方法獲取配置文件的絕對(duì)路徑（方法內(nèi)部會(huì)委托AbsPathForConfigVal方法進(jìn)行處理，后者決定根據(jù)用戶指定的路徑或使用默認(rèn)路徑來(lái)生成配置文件的絕對(duì)路徑）。在得到配置文件的絕對(duì)路徑之后，構(gòu)造文件輸入流，從而讀取配置文件fs::ifstreamstream(GetConfigFile(confPath))。
在成功構(gòu)造輸入流之后，調(diào)用ReadConfigStream方法開(kāi)始讀取配置文件的內(nèi)容。方法內(nèi)部按行讀取配置文件，并以鍵值對(duì)的形式保存在m_config_args集合中。
調(diào)用SelectParams(gArgs.GetChainName())函數(shù)，生成全局的區(qū)塊鏈參數(shù)，并設(shè)置系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)類型。如果有錯(cuò)誤，則打印錯(cuò)誤，然后退出。gArgs.GetChainName()方法會(huì)返回當(dāng)前使用的網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)主網(wǎng)絡(luò)，返回字符串main；測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，返回字符串test；回歸測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，返回字符串regtest。SelectParams方法的實(shí)現(xiàn)如下所示：
void SelectParams(const std::string& network)
{
SelectBaseParams(network);
globalChainParams = CreateChainParams(network);
}
SelectBaseParams方法會(huì)根據(jù)指定的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)生成CBaseChainParams對(duì)象，并保存在globalChainBaseParams變量中，并在指定gArgs對(duì)象中保存網(wǎng)絡(luò)類型（m_network屬性）。CBaseChainParams對(duì)象中僅保存系統(tǒng)的數(shù)據(jù)目錄和運(yùn)行的端口，所以稱之為基本區(qū)塊鏈參數(shù)對(duì)象。
CreateChainParams方法會(huì)根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)生成CChainParams類的子對(duì)象，可能為以下三種：CMainParams、CTestNetParams、CRegTestParams。CChainParams對(duì)象包含了區(qū)塊鏈對(duì)象的所有重要信息，比如：共識(shí)規(guī)則、部署狀態(tài)、檢查點(diǎn)、創(chuàng)世區(qū)塊等。
檢查所有命令行參數(shù)，如果有錯(cuò)誤，則打印錯(cuò)誤，并退出。
設(shè)置參數(shù)-server默認(rèn)為真。bitcoind守護(hù)進(jìn)程默認(rèn)server為真。
調(diào)用InitLogging函數(shù)，初始化系統(tǒng)所用日志，并打印系統(tǒng)的版本信息。具體代碼如下，根據(jù)是否指定debuglogfile、printtoconsole等確定日志打印到文件或是控制臺(tái)。
void InitLogging()
{
g_logger->m_print_to_file = !gArgs.IsArgNegated("-debuglogfile");
g_logger->m_file_path = AbsPathForConfigVal(gArgs.GetArg("-debuglogfile", DEFAULT_DEBUGLOGFILE));
LogPrintf("\n\n\n\n\n");
g_logger->m_print_to_console = gArgs.GetBoolArg("-printtoconsole", !gArgs.GetBoolArg("-daemon", false));
g_logger->m_log_timestamps = gArgs.GetBoolArg("-logtimestamps", DEFAULT_LOGTIMESTAMPS);
g_logger->m_log_time_micros = gArgs.GetBoolArg("-logtimemicros", DEFAULT_LOGTIMEMICROS);
fLogIPs = gArgs.GetBoolArg("-logips", DEFAULT_LOGIPS);
std::string version_string = FormatFullVersion();
LogPrintf(PACKAGE_NAME " version %s\n", version_string);
}
調(diào)用InitParameterInteraction函數(shù)，根據(jù)參數(shù)間的關(guān)系，檢查所有的交互參數(shù)。
調(diào)用AppInitBasicSetup函數(shù)，進(jìn)行基本的設(shè)置。如果有錯(cuò)誤，則打印錯(cuò)誤，然后退出。經(jīng)過(guò)前面漫長(zhǎng)的檢查與設(shè)置，終于開(kāi)始了應(yīng)用基本的設(shè)置。具體解讀見(jiàn)第二部分。
調(diào)用AppInitSanityChecks函數(shù)，處理底層加密函數(shù)相關(guān)內(nèi)容。具體解讀見(jiàn)第二部分。
調(diào)用AppInitLockDataDirectory函數(shù)，檢查并鎖定數(shù)據(jù)目錄。具體解讀見(jiàn)第二部分。
調(diào)用AppInitMain函數(shù)，比特幣主要的啟動(dòng)過(guò)程。具體解讀見(jiàn)第二部分。
如果應(yīng)用初始化主函數(shù)出錯(cuò)，則調(diào)用Interrupt函數(shù)進(jìn)行中止，否則調(diào)用WaitForShutdown函數(shù)等待系統(tǒng)結(jié)束。WaitForShutdown函數(shù)是一個(gè)無(wú)限循環(huán)函數(shù)。
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