Go-ethereum 源碼解析之 consensus/clique/snapshot.go

package clique

import (
    "bytes"
    "encoding/json"
    "sort"

    "github.com/ethereum/go-ethereum/common"
    "github.com/ethereum/go-ethereum/core/types"
    "github.com/ethereum/go-ethereum/ethdb"
    "github.com/ethereum/go-ethereum/params"
    lru "github.com/hashicorp/golang-lru"
)

// Vote represents a single vote that an authorized signer made to modify the
// list of authorizations.
type Vote struct {
    Signer    common.Address `json:"signer"`    // Authorized signer that cast this vote
    Block     uint64         `json:"block"`     // Block number the vote was cast in (expire old votes)
    Address   common.Address `json:"address"`   // Account being voted on to change its authorization
    Authorize bool           `json:"authorize"` // Whether to authorize or deauthorize the voted account
}

// Tally is a simple vote tally to keep the current score of votes. Votes that
// go against the proposal aren't counted since it's equivalent to not voting.
type Tally struct {
    Authorize bool `json:"authorize"` // Whether the vote is about authorizing or kicking someone
    Votes     int  `json:"votes"`     // Number of votes until now wanting to pass the proposal
}

// Snapshot is the state of the authorization voting at a given point in time.
type Snapshot struct {
    config   *params.CliqueConfig // Consensus engine parameters to fine tune behavior
    sigcache *lru.ARCCache        // Cache of recent block signatures to speed up ecrecover

    Number  uint64                      `json:"number"`  // Block number where the snapshot was created
    Hash    common.Hash                 `json:"hash"`    // Block hash where the snapshot was created
    Signers map[common.Address]struct{} `json:"signers"` // Set of authorized signers at this moment
    Recents map[uint64]common.Address   `json:"recents"` // Set of recent signers for spam protections
    Votes   []*Vote                     `json:"votes"`   // List of votes cast in chronological order
    Tally   map[common.Address]Tally    `json:"tally"`   // Current vote tally to avoid recalculating
}

// signers implements the sort interface to allow sorting a list of addresses
type signers []common.Address

func (s signers) Len() int           { return len(s) }
func (s signers) Less(i, j int) bool { return bytes.Compare(s[i][:], s[j][:]) < 0 }
func (s signers) Swap(i, j int)      { s[i], s[j] = s[j], s[i] }

// newSnapshot creates a new snapshot with the specified startup parameters. This
// method does not initialize the set of recent signers, so only ever use if for
// the genesis block.
func newSnapshot(config *params.CliqueConfig, sigcache *lru.ARCCache, number uint64, hash common.Hash, signers []common.Address) *Snapshot {
    snap := &Snapshot{
        config:   config,
        sigcache: sigcache,
        Number:   number,
        Hash:     hash,
        Signers:  make(map[common.Address]struct{}),
        Recents:  make(map[uint64]common.Address),
        Tally:    make(map[common.Address]Tally),
    }
    for _, signer := range signers {
        snap.Signers[signer] = struct{}{}
    }
    return snap
}

Appendix A. 總體批注

文件 clique/snapshot.go 主要是用于描述 Clique 共識算法中關于授權簽名者列表生成的快照信息，以及授權簽名者對給定區(qū)塊頭列表如何進行具體簽名的規(guī)則。

假設授權簽名者列表的長度為 K，當前進行投票的區(qū)塊編號為 N，給定區(qū)塊頭中的投票簽名者在有序授權簽名者列表中的偏移為 P，偏移從 0 開始。

快照中包含的主要信息有：

創(chuàng)建快照時的區(qū)塊編號
創(chuàng)建快照時的區(qū)塊哈希
授權簽名者集合
最近 K/2 + 1 個區(qū)塊中各區(qū)塊編號對應的簽名者集合
按區(qū)塊編號順序投票的投票列表
以及各被投票簽名者的得票計數(shù)器。

授權簽名者的具體簽名規(guī)則：

待應用簽名的區(qū)塊頭列表需要滿足要求：區(qū)塊的編號是連續(xù)的。
K 個簽名者各自在最近連續(xù)的 K/2 + 1 個區(qū)塊最多只能投出一票。
第 P 個簽名者只能在滿足 N % K == P 條件的區(qū)塊中進行投票。
對于一個投票，得票數(shù)需要超過 K/2，不包括 K/2。

??? 第 1 個疑問：大多數(shù)時候在區(qū)塊頭中并不會進行投票，而區(qū)塊頭列表又需要滿足連續(xù)性這個條件，但是看代碼中對于不包含投票的區(qū)塊頭并沒有直接過濾的操作。

??? 第 2 個疑問：根據(jù)授權簽名者的具體簽名規(guī)則，在知道 K 的時候，能夠推斷出在區(qū)塊 N 中進行投票的簽名者為 P。這在 PoA 聯(lián)盟鏈中會不會導致安全漏洞。

!!! 一個 BUG：在投票解除授權簽名者時，存在一個問題。當授權簽名者列表中只剩下一個簽名者，且該簽名者投票解除自己的授權時，會觸發(fā)此問題，導致授權簽名者列表為空，引起之后用授權簽名者列表長度作分母時的代碼報除 0 錯誤。
- 真正有問題的代碼，具體代碼見方法 Snapshot.apply() 中的 delete(snap.Signers, header.Coinbase)。
- 觸發(fā)問題的代碼，具體代碼見方法 Snapshot.inturn() 中的 return (number % uint64(len(signers))) == uint64(offset)

定義了多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如：

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Vote 用于描述一次具體的投票信息。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Tally 用于描述一個簡單的投票計數(shù)器。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Snapshot 用于描述指定時間點的授權投票狀態(tài)。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) signers 用于描述授權簽名者列表的封裝器，并實現(xiàn)了排序接口。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) singers 支持對授權簽名者列表進行升序排序，因此可以計算出給定簽名者在整個授權簽名者列表的有序偏移 P。

1. type Vote struct

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Vote 表示授權簽名者為了修改授權列表而進行的一次投票。

Signer common.Address：投票的授權簽名者
Block uint6：投票的區(qū)塊編號（投票過期）
Address common.Address：被投票的帳戶，以更改其授權
Authorize bool：表示是否授權或取消對已投票帳戶的授權

2. type Tally struct

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Tally 是一個簡單的投票計數(shù)器，以保持當前的投票得分。投票反對該提案不計算在內(nèi)，因為它等同于不投票。

Authorize bool：投票是關于授權還是踢某人
Votes int：到目前為止希望通過提案的投票數(shù)

3. type Snapshot struct

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Snapshot 表示指定時間點的授權投票狀態(tài)。

config *params.CliqueConfig：共識引擎參數(shù)以微調(diào)行為
sigcache *lru.ARCCache：緩存最近的塊簽名以加速函數(shù) ecrecover()
Number uint64: 創(chuàng)建快照的區(qū)塊編號
Hash common.Hash：創(chuàng)建快照的區(qū)塊哈希
Signers map[common.Address]struct{}：這一刻的授權簽名者集合
Recents map[uint64]common.Address：一組最近的簽名者集，用于防止 spam 攻擊。分別記錄最近 k/2 + 1 次的區(qū)塊編號對應的簽名者。
Votes []*Vote：按區(qū)塊編號順序投票的投票列表
Tally map[common.Address]Tally：目前的投票計數(shù)器，以避免重新計算
通過構(gòu)造函數(shù)
newSnapshot() 使用指定的啟動參數(shù)創(chuàng)建新快照。這種方法不會初始化最近的簽名者集，所以只能用于創(chuàng)世塊。
通過函數(shù) loadSnapshot() 從數(shù)據(jù)庫加載已經(jīng)存在的快照。
通過方法 store() 將快照插入數(shù)據(jù)庫。
通過方法 copy() 會創(chuàng)建快照的深層副本，但不會創(chuàng)建單獨的投票。
通過方法 validVote() 返回在給定的快照上下文中投出的特定投票是否有意義（例如，不要嘗試添加已經(jīng)授權的簽名者）。
通過方法 cast() 往投票計數(shù)器 Snapshot.tally 中增加新的投票。
通過方法 uncast() 從投票計數(shù)器 Snapshot.tally 中移除之前的一次投票。
通過方法 apply() 通過將給定的區(qū)塊頭列表應用于原始的快照來生成新的授權快照。
通過方法 signers() 按升序返回授權簽名者列表。
通過方法 inturn() 返回簽名者在給定區(qū)塊高度是否是 in-turn 的。

4. type signers []common.Address

封裝器 signers 實現(xiàn)了排序接口，以允許排序地址列表。

通過方法 Len() 返回列表中元素的個數(shù)。
通過方法 Less() 比較列表中第 i 個元素是否比第 j 個元素的小，如果是返回 true。
通過方法 Swap() 交換列表中第 i 個元素和第 j 個元素。

Appendix B. 詳細批注

1. type Vote struct

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Vote 表示授權簽名者為了修改授權列表而進行的一次投票。

Signer common.Address：投票的授權簽名者
Block uint6：投票的區(qū)塊編號（投票過期）
Address common.Address：被投票的帳戶，以更改其授權
Authorize bool：表示是否授權或取消對已投票帳戶的授權

2. type Tally struct

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Tally 是一個簡單的投票計數(shù)器，以保持當前的投票得分。投票反對該提案不計算在內(nèi)，因為它等同于不投票。

Authorize bool：投票是關于授權還是踢某人
Votes int：到目前為止希望通過提案的投票數(shù)

3. type Snapshot struct

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Snapshot 表示指定時間點的授權投票狀態(tài)。

config *params.CliqueConfig：共識引擎參數(shù)以微調(diào)行為
sigcache *lru.ARCCache：緩存最近的塊簽名以加速函數(shù) ecrecover()
Number uint64: 創(chuàng)建快照的區(qū)塊編號
Hash common.Hash：創(chuàng)建快照的區(qū)塊哈希
Signers map[common.Address]struct{}：這一刻的授權簽名者集合
Recents map[uint64]common.Address：一組最近的簽名者集，用于防止 spam 攻擊。分別記錄最近 k/2 + 1 次的區(qū)塊編號對應的簽名者。
Votes []*Vote：按區(qū)塊編號順序投票的投票列表
Tally map[common.Address]Tally：目前的投票計數(shù)器，以避免重新計算

1. func newSnapshot(config params.CliqueConfig, sigcache lru.ARCCache, number uint64, hash common.Hash, signers []common.Address) *Snapshot

構(gòu)造函數(shù)
newSnapshot() 使用指定的啟動參數(shù)創(chuàng)建新快照。這種方法不會初始化最近的簽名者集，所以只能用于創(chuàng)世塊。

2. func loadSnapshot(config params.CliqueConfig, sigcache lru.ARCCache, db ethdb.Database, hash common.Hash) (*Snapshot, error)

函數(shù) loadSnapshot() 從數(shù)據(jù)庫加載已經(jīng)存在的快照。

主要的實現(xiàn)細節(jié)如下：

調(diào)用方法 db.Get() 從數(shù)據(jù)庫加載 JSON 數(shù)據(jù)流
調(diào)用方法 json.Unmarshal() 從 JSON 數(shù)據(jù)流中解碼出對象 clique.Snapshot
與方法 Snapshot.store() 的功能相反。

3. func (s *Snapshot) store(db ethdb.Database) error

方法 store() 將快照插入數(shù)據(jù)庫。

主要的實現(xiàn)細節(jié)如下：

調(diào)用方法 json.Marshal() 將對象 clique.Snapshot 編碼成 JSON 數(shù)據(jù)流。
調(diào)用方法 db.Put() 將 JSON 數(shù)據(jù)流插入數(shù)據(jù)庫。
與函數(shù) loadSnapshot() 的功能相反。

4. func (s Snapshot) copy() Snapshot

方法 copy() 會創(chuàng)建快照的深層副本，但不會創(chuàng)建單獨的投票。

5. func (s *Snapshot) validVote(address common.Address, authorize bool) bool

方法 validVote() 返回在給定的快照上下文中投出的特定投票是否有意義（例如，不要嘗試添加已經(jīng)授權的簽名者）。

主要的實現(xiàn)細節(jié)如下：

當 authorize 為 true 時，則 address 應該不存在于 Snapshot.Signers；且當 authorize 為 false 時，則 address 應該存在于 Snapshot.Signers。這兩種情況都是有效的投票，否則為無效的投票。
也就是當投出剔除授權簽名者，該簽名者應該存在于授權簽名者列表。當投出新增授權簽名者時，該簽名者應該不存在于授權簽名者列表。
判定算法有點繞
- return (signer && !authorize) || (!signer && authorize)

func (s *Snapshot) validVote(address common.Address, authorize bool) bool {
    _, signer := s.Signers[address]
    return (signer && !authorize) || (!signer && authorize)
}

6. func (s *Snapshot) cast(address common.Address, authorize bool) bool

方法 cast() 往投票計數(shù)器 Snapshot.tally 中增加新的投票。

主要的實現(xiàn)細節(jié)如下：

調(diào)用方法 Snapshot.validVote() 驗證投票的有效性。
需要考慮對指定地址的投票是全新的，還是只是增加得票數(shù)即可。

7. func (s *Snapshot) uncast(address common.Address, authorize bool) bool

方法 uncast() 從投票計數(shù)器 Snapshot.tally 中移除之前的一次投票。

主要的實現(xiàn)細節(jié)如下：

需要確保此次投票和之前的投票一致。
返還投票時需要考慮返還后指定地址的得票數(shù)是否為 0.

8. func (s Snapshot) apply(headers []types.Header) (*Snapshot, error)

方法 apply() 通過將給定的區(qū)塊頭列表應用于原始的快照來生成新的授權快照。

主要的實現(xiàn)細節(jié)如下：

如果 len(headers) == 0，則直接返回。允許傳入空 headers 以獲得更清晰的代碼。
檢查區(qū)塊頭列表的完整性。即區(qū)塊頭列表中的區(qū)塊頭必須是連續(xù)的，且是根據(jù)區(qū)塊編號升序排序的。
除了參數(shù) headers 必須是連續(xù)且升序之外，第一個區(qū)塊頭的區(qū)塊編號也必須是當前快照所處的區(qū)塊編號的下一個區(qū)塊，即 headers[0].Number.Uint64() != s.Number+1。
通過方法 Snapshot.copy() 創(chuàng)建要返回的新的快照，并在此新快照上依次應用參數(shù)區(qū)塊頭列表中的區(qū)塊頭 header。
- 檢查當前區(qū)塊頭是否為檢查點區(qū)塊，如果是則清除所有的投票信息。
- 從最近的簽名者列表（snap.Recents）中刪除最舊的簽名者以允許它再次簽名。
  - 具體規(guī)則為：Snapshot.Recents 最多只會記錄 K/2 + 1 個最近的簽名者簽名記錄，也就是簽名者在最近 K/2 + 1 個區(qū)塊中只能簽名一次。具體的計算規(guī)則是：假設當前區(qū)塊的編號為 N，會刪除 Snapshot.Recents 中第 N - (K/2 + 1) 個元素，之后 Snapshot.Recents 中的第 1 個元素為 N - (K/2 + 1) + 1，在 N - (K/2 + 1) + 1 和 N 之間存在 (N - (N - (K/2 + 1) + 1) + 1) = K/2 + 1。之所以是 number >= limit，這里 limit = K/2 + 1，是由于第 1 個區(qū)塊的編號為 0，由 0 到 limit - 1 正好包含 (limit - 1) - 0 + 1 = (K/2 + 1 - 1) - 0 + 1 = k/2 + 1 個區(qū)塊。
- 調(diào)用函數(shù) ecrecover() 從區(qū)塊頭中恢復出簽名者 signer。
- 檢查簽名者 signer 是否存在于授權簽名者列表（snap.Signers），不存在返回 clique.errUnauthorized。
- 檢查簽名者 singer 是否在最近 K/2 + 1 個區(qū)塊中已經(jīng)簽名過，即是否已經(jīng)存在于最近的簽名者列表（snap.Recents）中。已經(jīng)簽名過則返回 clique.errUnauthorized。
- 更新最近的簽名者列表（snap.Recents），snap.Recents[number] = signer。
- 對于授權的區(qū)塊頭，丟棄簽名者以前的任何投票 vote。
  - 通過方法 snap.uncast(vote.Address, vote.Authorize) 從投票計數(shù)器（Snapshot.Tally）移除該投票。
  - 通過 snap.Votes = append(snap.Votes[:i], snap.Votes[i+1:]...) 從 Snapshot.Votes 中移除該投票。
- 從區(qū)塊頭 types.Header.Nonce 中計算是授權（nonceAuthVote）還是解除授權（nonceDropVote）投票，無效 Nonce 值則返回 clique.errInvalidVote。
- 通過方法 Snapshot.cast() 更新投票計數(shù)器（Snapshot.Tally）。如果成功，則往 snap.Votes 添加新的投票。
- 如果區(qū)塊頭 header 中的投票被通過，則更新授權簽名者列表。一次投票被通過的條件是，得票數(shù)大于等于 K/2 + 1，其中 K 為授權簽名者個數(shù)。
  - 如果投票是授權簽名者，則 snap.Signers[header.Coinbase] = struct{}{}
  - 如果投票是解除授權簽名者，則：
    - delete(snap.Signers, header.Coinbase)。
    - 簽名者列表縮小，刪除任何剩余的最近的簽名者列表（snap.Recents）緩存，這個操作是為了維持與 K/2 + 1 相關的這個規(guī)則。
    - 丟棄授權簽名者以前的任何投票，即調(diào)用 snap.uncast 更新 snap.Votes，和通過 snap.Votes = append(snap.Votes[:i], snap.Votes[i+1:]...) 更新 snap.Votes。注意具體實現(xiàn)時的 i-- 操作，這是由于 snap.Votes 的長度已經(jīng)縮小了 1.
  - 丟棄剛剛更改的帳戶（header.coinbase）的所有先前投票
    - 通過 snap.Votes = append(snap.Votes[:i], snap.Votes[i+1:]...) 修改 snap.Votes。同時注意與上述相似的 i-- 操作。
    - 通過 delete(snap.Tally, header.Coinbase) 直接從 snap.Tally 刪除 header.Coinbase 的整個計數(shù)器。
更新當前快照創(chuàng)建時的區(qū)塊編號。即將原快照創(chuàng)建時的區(qū)塊編號加上參數(shù) headers 中 types.Header 的個數(shù)，具體實現(xiàn)為 snap.Number += uint64(len(headers))
更新當前快照創(chuàng)建時的區(qū)塊哈希。即參數(shù) headers 中最后一個 types.Header 的哈希。snap.Hash = headers[len(headers)-1].Hash()

9. func (s *Snapshot) signers() []common.Address

方法 signers() 按升序返回授權簽名者列表。

主要的實現(xiàn)細節(jié)如下：

通過方法 sort.Sort() 按升序排序授權簽名者列表。

10. func (s *Snapshot) inturn(number uint64, signer common.Address) bool

方法 inturn() 返回簽名者在給定區(qū)塊高度是否是 in-turn 的。

這里可以理解 in-turn 為授權簽名者列表對于給定區(qū)塊判定采用哪個簽名者的規(guī)則。

假設區(qū)塊編號為 N，也就是區(qū)塊的高度為 N。授權簽名者列表的長度為 K。簽名者在授權簽名者列表中的順序為 P，從 0 開始偏移。則如果 (N % K) == P 就返回 true，表示 in-turn。

主要的實現(xiàn)細節(jié)如下：

即實現(xiàn)上面的規(guī)則。

4. type signers []common.Address

封裝器 signers 實現(xiàn)了排序接口，以允許排序地址列表。

(1) func (s signers) Len() int

方法 Len() 返回列表中元素的個數(shù)。

(2) func (s signers) Less(i, j int) bool

方法 Less() 比較列表中第 i 個元素是否比第 j 個元素的小，如果是返回 true。

(3) func (s signers) Swap(i, j int)

方法 Swap() 交換列表中第 i 個元素和第 j 個元素。

Reference

https://github.com/ethereum/go-ethereum/blob/master/consensus/clique/snapshot.go

Contributor

Windstamp, https://github.com/windstamp

最后編輯于：2018.10.09 17:15:26

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Go-ethereum 源碼解析之 consensus/clique/snapshot.go

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Go-ethereum 源碼解析之 consensus/clique/snapshot.go

Appendix A. 總體批注

1. type Vote struct

2. type Tally struct

3. type Snapshot struct

4. type signers []common.Address

Appendix B. 詳細批注

1. type Vote struct

2. type Tally struct

3. type Snapshot struct

1. func newSnapshot(config params.CliqueConfig, sigcache lru.ARCCache, number uint64, hash common.Hash, signers []common.Address) *Snapshot

2. func loadSnapshot(config params.CliqueConfig, sigcache lru.ARCCache, db ethdb.Database, hash common.Hash) (*Snapshot, error)

3. func (s *Snapshot) store(db ethdb.Database) error

4. func (s Snapshot) copy() Snapshot

5. func (s *Snapshot) validVote(address common.Address, authorize bool) bool

6. func (s *Snapshot) cast(address common.Address, authorize bool) bool

7. func (s *Snapshot) uncast(address common.Address, authorize bool) bool

8. func (s Snapshot) apply(headers []types.Header) (*Snapshot, error)

9. func (s *Snapshot) signers() []common.Address

10. func (s *Snapshot) inturn(number uint64, signer common.Address) bool

4. type signers []common.Address

(1) func (s signers) Len() int

(2) func (s signers) Less(i, j int) bool

(3) func (s signers) Swap(i, j int)

Reference

Contributor

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Go-ethereum 源碼解析之 consensus/clique/snapshot.go

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Appendix A. 總體批注

1. type Vote struct

2. type Tally struct

3. type Snapshot struct

4. type signers []common.Address

Appendix B. 詳細批注

1. type Vote struct

2. type Tally struct

3. type Snapshot struct

1. func newSnapshot(config *params.CliqueConfig, sigcache *lru.ARCCache, number uint64, hash common.Hash, signers []common.Address) *Snapshot

2. func loadSnapshot(config *params.CliqueConfig, sigcache lru.ARCCache, db ethdb.Database, hash common.Hash) (Snapshot, error)

3. func (s *Snapshot) store(db ethdb.Database) error

4. func (s *Snapshot) copy() *Snapshot

5. func (s *Snapshot) validVote(address common.Address, authorize bool) bool

6. func (s *Snapshot) cast(address common.Address, authorize bool) bool

7. func (s *Snapshot) uncast(address common.Address, authorize bool) bool

8. func (s Snapshot) apply(headers []types.Header) (*Snapshot, error)

9. func (s *Snapshot) signers() []common.Address

10. func (s *Snapshot) inturn(number uint64, signer common.Address) bool

4. type signers []common.Address

(1) func (s signers) Len() int

(2) func (s signers) Less(i, j int) bool

(3) func (s signers) Swap(i, j int)

Reference

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1. func newSnapshot(config params.CliqueConfig, sigcache lru.ARCCache, number uint64, hash common.Hash, signers []common.Address) *Snapshot

2. func loadSnapshot(config params.CliqueConfig, sigcache lru.ARCCache, db ethdb.Database, hash common.Hash) (*Snapshot, error)

4. func (s Snapshot) copy() Snapshot