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【比原链】比原是如何把请求区块数据的信息发出去的

作者：freewind
比原项目仓库：https://github.com/Bytom/bytom
在前一篇中，我们说到，当比原向其它节点请求区块数据时，BlockKeeper会发送一个BlockRequestMessage把需要的区块height告诉对方，并把该信息对应的二进制数据放入ProtocolReactor对应的sendQueue通道中，等待发送。而具体的发送细节，由于逻辑比较复杂，所以在前一篇中并未详解，放到本篇中。

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由于sendQueue是一个通道，数据放进去后，到底是由谁在什么情况下取走并发送，BlockKeeper这边是不知道的。经过我们在代码中搜索，发现只有一个类型会直接监视sendQueue中的数据，它就是前文出现的MConnection。MConnection的对象在它的OnStart方法中，会监视sendQueue中的数据，然后，等发现数据时，会将之取走并放入一个叫sending的通道里。

事情变得有点复杂了：

  1. 由前篇我们知道，一个MConnection对应了一个与peer的连接，而比原节点之间建立连接的情况又有多种：比如主动连接别的节点，或者别的节点主动连上我
  2. 放入通道sending之后，我们还需要知道又是谁在什么情况下会监视sending，取走它里面的数据
  3. sending中的数据被取走后，又是如何被发送到其它节点的呢？

还是像以前一样，遇到复杂的问题，我们先通过“相互独立，完全穷尽”的原则，把它分解成一个个小问题，然后依次解决。

那么首先我们需要弄清楚的是：

比原在什么情况下，会创建MConnection的对象并调用其OnStart方法？

（从而我们知道sendQueue中的数据是如何被监视的）

经过分析，我们发现MConnection的启动，只出现在一个地方，即Peer的OnStart方法中。那么就这个问题就变成了：比原在什么情况下，会创建Peer的对象并调用其OnStart方法？

再经过一番折腾，终于确定，在比原中，在下列4种情况Peer.OnStart方法最终会被调用：

  1. 比原节点启动后，主动去连接配置文件指定的种子节点、以及本地数据目录中addrbook.json中保存的节点的时候
  2. 比原监听本地p2p端口后，有别的节点连上来的时候
  3. 启动PEXReactor，并使用它自己的协议与当前连接上的节点进行通信的时候
  4. 在一个没有用上的Switch.Connect2Switches方法中（可忽略）

第4种情况我们完全忽略。第3种情况中，由于PEXReactor会使用类似于BitTorrent的文件分享协议与其它节点分享数据，逻辑比较独立，算是一种辅助作用，我们也暂不考虑。这样我们就只需要分析前两种情况了。

比原节点启动时，是如何主动连接其它节点，并最终调用了MConnection.OnStart方法的？

首先我们快速走到SyncManager.Start方法:

cmd/bytomd/main.go#L54

func main() {
    cmd := cli.PrepareBaseCmd(commands.RootCmd, "TM", os.ExpandEnv(config.DefaultDataDir()))
    cmd.Execute()
}

cmd/bytomd/commands/run_node.go#L41

func runNode(cmd *cobra.Command, args []string) error {
    n := node.NewNode(config)
    if _, err := n.Start(); err != nil {
        // ...
}

node/node.go#L169

func (n *Node) OnStart() error {
    // ...
    n.syncManager.Start()
    // ...
}

netsync/handle.go#L141

func (sm *SyncManager) Start() {
    go sm.netStart()
    // ...
}

然后我们将进入netStart()方法。在这个方法中，比原将主动连接其它节点:

func (sm *SyncManager) netStart() error {
    // ...
    if sm.config.P2P.Seeds != "" {
        // dial out
        seeds := strings.Split(sm.config.P2P.Seeds, ",")
        if err := sm.DialSeeds(seeds); err != nil {
            return err
        }
    }

    return nil
}

这里出现的sm.config.P2P.Seeds，对应的就是本地数据目录中config.toml中的p2p.seeds中的种子结点。

接着通过sm.DialSeeds去主动连接每个种子：

netsync/handle.go#L229-L231

func (sm *SyncManager) DialSeeds(seeds []string) error {
    return sm.sw.DialSeeds(sm.addrBook, seeds)
}

p2p/switch.go#L311-L340

func (sw *Switch) DialSeeds(addrBook *AddrBook, seeds []string) error {
    // ...
    for i := 0; i < len(perm)/2; i++ {
        j := perm[i]
        sw.dialSeed(netAddrs[j])
    }
   // ...
}

p2p/switch.go#L342-L349

func (sw *Switch) dialSeed(addr *NetAddress) {
    peer, err := sw.DialPeerWithAddress(addr, false)
    // ...
}

p2p/switch.go#L351-L392

func (sw *Switch) DialPeerWithAddress(addr *NetAddress, persistent bool) (*Peer, error) {
    // ...
    peer, err := newOutboundPeerWithConfig(addr, sw.reactorsByCh, sw.chDescs, sw.StopPeerForError, sw.nodePrivKey, sw.peerConfig)
    // ...
    err = sw.AddPeer(peer)
    // ...
}

先是通过newOutboundPeerWithConfig创建了peer，然后把它加入到sw（即Switch对象）中。

p2p/switch.go#L226-L275

func (sw *Switch) AddPeer(peer *Peer) error {
    // ...
    // Start peer
    if sw.IsRunning() {
        if err := sw.startInitPeer(peer); err != nil {
            return err
        }
    }
    // ...
}

在sw.startInitPeer中，将会调用peer.Start：

p2p/switch.go#L300-L308

func (sw *Switch) startInitPeer(peer *Peer) error {
    peer.Start()
    // ...
}

而peer.Start对应了Peer.OnStart，最后就是:

p2p/peer.go#L207-L211

func (p *Peer) OnStart() error {
    p.BaseService.OnStart()
    _, err := p.mconn.Start()
    return err
}

可以看到，在这里调用了mconn.Start，终于找到了。总结一下就是：

  • Node.Start -> SyncManager.Start -> SyncManager.netStart -> Switch.DialSeeds -> Switch.AddPeer -> Switch.startInitPeer -> Peer.OnStart -> MConnection.OnStart

那么，第一种主动连接别的节点的情况就到这里分析完了。下面是第二种情况：

当别的节点连接到本节点时，比原是如何走到MConnection.OnStart方法这一步的？

比原节点启动后，会监听本地的p2p端口，等待别的节点连接上来。那么这个流程又是什么样的呢？

由于比原节点的启动流程在目前的文章中已经多次出现，这里就不贴了，我们直接从Switch.OnStart开始（它是在SyncManager启动的时候启动的）：

p2p/switch.go#L186-L185

func (sw *Switch) OnStart() error {
    // ...
    for _, peer := range sw.peers.List() {
        sw.startInitPeer(peer)
    }

    // Start listeners
    for _, listener := range sw.listeners {
        go sw.listenerRoutine(listener)
    }
    // ...
}

这个方法经过省略以后，还剩两块代码，一块是startInitPeer(...)，一块是sw.listenerRoutine(listener)。

如果你刚才在读前一节时留意了，就会发现，startInitPeer(...)方法马上就会调用Peer.Start。然而在这里需要说明的是，经过我的分析，发现这块代码实际上没有起到任何作用，因为在当前这个时刻，sw.peers总是空的，它里面还没有来得及被其它的代码添加进peer。所以我觉得它可以删掉，以免误导读者。（提了一个issue，参见#902）

第二块代码，listenerRoutine，如果你还有印象的话，它就是用来监听本地p2p端口的，在前面“比原是如何监听p2p端口的”一文中有详细的讲解。

我们今天还是需要再挖掘一下它，看看它到底是怎么走到MConnection.OnStart的：

p2p/switch.go#L498-L536

func (sw *Switch) listenerRoutine(l Listener) {
    for {
        inConn, ok := <-l.Connections()
        // ...
        err := sw.addPeerWithConnectionAndConfig(inConn, sw.peerConfig)
        // ...
    }
}

这里的l就是监听本地p2p端口的Listener。通过一个for循环，拿到连接到该端口的节点的连接，生成新peer。

func (sw *Switch) addPeerWithConnectionAndConfig(conn net.Conn, config *PeerConfig) error {
    // ...
    peer, err := newInboundPeerWithConfig(conn, sw.reactorsByCh, sw.chDescs, sw.StopPeerForError, sw.nodePrivKey, config)
    // ...
    if err = sw.AddPeer(peer); err != nil {
        // ...
    }
    // ...
}

生成新的peer之后，调用了Switch的AddPeer方法。到了这里，就跟前一节一样了，在AddPeer中将调用sw.startInitPeer(peer)，然后调用peer.Start()，最后调用了MConnection.OnStart()。由于代码一模一样，就不贴出来了。

总结一下，就是：

  • Node.Start -> SyncManager.Start -> SyncManager.netStart -> Switch.OnStart -> Switch.listenerRoutine -> Switch.addPeerWithConnectionAndConfig -> Switch.AddPeer -> Switch.startInitPeer -> Peer.OnStart -> MConnection.OnStart

那么，第二种情况我们也分析完了。

不过到目前为止，我们只解决了这次问题中的第一个小问题，即：我们终于知道了比原代码会在什么情况来启动一个MConnection，从而监视sendQueue通道，把要发送的信息数据，转到了sending通道中。

那么，我们进入下一个小问题：

数据放入通道sending之后，谁又会来取走它们呢？

经过分析之后，发现通道sendQueue和sending都属于类型Channel，只不过两者作用不同。sendQueue是用来存放待发送的完整的信息数据，而sending更底层一些，它持有的数据可能会被分成多个块发送。如果只有sendQueue一个通道，那么很难实现分块的操作的。

而Channel的发送是由MConnection来调用的，幸运的是，当我们一直往回追溯下去，发现竟走到了MConnection.OnStart这里。也就是说，我们在这个小问题中，研究的正好是前面两个链条后面的部分：

  • Node.Start -> SyncManager.Start -> SyncManager.netStart -> Switch.DialSeeds -> Switch.AddPeer -> Switch.startInitPeer -> Peer.OnStart -> MConnection.OnStart -> ???

  • Node.Start -> SyncManager.Start -> SyncManager.netStart -> Switch.OnStart -> Switch.listenerRoutine -> Switch.addPeerWithConnectionAndConfig -> Switch.AddPeer -> Switch.startInitPeer -> Peer.OnStart -> MConnection.OnStart -> ???

也就是上面的???部分。

那么我们就直接从MConnection.OnStart开始：

p2p/connection.go#L152-L159

func (c *MConnection) OnStart() error {
    // ...
    go c.sendRoutine()
    // ...
}

c.sendRoutine()方法就是我们需要的。当MConnection启动以后，就会开始进行发送操作（等待数据到来)。它的代码如下：

p2p/connection.go#L289-L343

func (c *MConnection) sendRoutine() {
    // ...
        case <-c.send:
            // Send some msgPackets
            eof := c.sendSomeMsgPackets()
            if !eof {
                // Keep sendRoutine awake.
                select {
                case c.send <- struct{}{}:
                default:
                }
            }
        }
    // ...
}

这个方法本来很长，只是我们省略掉了很多无关的代码。里面的c.sendSomeMsgPackets()就是我们要找的，但是，我们突然发现，怎么又出来了一个c.send通道？它又有什么用？而且看起来好像只有当这个通道里有东西的时候，我们才会去调用c.sendSomeMsgPackets()，似乎像是一个铃铛一样用来提醒我们。

那么c.send什么时候会有东西呢？检查了代码之后，发现在以下3个地方：

p2p/connection.go#L206-L239

func (c *MConnection) Send(chID byte, msg interface{}) bool {
    // ...
    success := channel.sendBytes(wire.BinaryBytes(msg))
    if success {
        // Wake up sendRoutine if necessary
        select {
        case c.send <- struct{}{}:
        // ..
}

p2p/connection.go#L243-L271

func (c *MConnection) TrySend(chID byte, msg interface{}) bool {
    // ...
    ok = channel.trySendBytes(wire.BinaryBytes(msg))
    if ok {
        // Wake up sendRoutine if necessary
        select {
        case c.send <- struct{}{}:
        // ...
}

p2p/connection.go#L289-L343

func (c *MConnection) sendRoutine() {
    // ....
        case <-c.send:
            // Send some msgPackets
            eof := c.sendSomeMsgPackets()
            if !eof {
                // Keep sendRoutine awake.
                select {
                case c.send <- struct{}{}:
                // ...
}

如果我们对前一篇文章还有印象，就会记得channel.trySendBytes是在我们想给对方节点发信息时调用的，调用完以后，它会把信息对应的二进制数据放入到channel.sendQueue通道（所以才有了本文）。channel.sendBytes我们目前虽然还没用到，但是它也应该是类似的。在它们两个调用完之后，它们都会向c.send通道里放入一个数据，用来通知Channel有数据可以发送了。

而第三个sendRoutine()就是我们刚刚走到的地方。当我们调用c.sendSomeMsgPackets()发送了sending中的一部分之后，如果还有剩余的，则继续向c.send放个数据，提醒可以继续发送。

那到目前为止，发送数据涉及到的Channel就有三个了，分别是sendQueue、sending和send。之所以这么复杂，根本原因就是想把数据分块发送。

为什么要分块发送呢？这是因为比原希望能控制发送速率，让节点之间的网速能保持在一个合理的水平。如果不限制的话，一下子发出大量的数据，一是可能会让接收者来不及处理，二是有可能会被恶意节点利用，请求大量区块数据把带宽占满。

担心sendQueue、sending和send这三个通道不太好理解，我想到了一个“烧鸭店”的比喻，来理解它们：

  • sendQueue就像是用来挂烤好的烧鸭的勾子，可以有多个（但对于比原来说，默认只有一个，因为sendQueue的容量默认为1），当有烧鸭烤好以后，就挂在勾子上；
  • sending是砧板，可以把烧鸭从sendQueue勾子上取下来一只，放在上面切成块，等待装盘，一只烧鸭可能可以装成好几盘；
  • 而send是铃铛，当有人点单后，服务员就会按一下铃铛，厨师就从sending砧板上拿几块烧鸭放在小盘中放在出餐口。由于厨师非常忙，每次切出一盘后都可能会去做别的事情，而忘了sending砧板上还有烧鸭没装盘，所以为了防止自己忘记，他每切出一盘之后，都会看一眼sending砧板，如果还有肉，就会按一下铃铛提醒自己继续装盘。

好了，理解了send后，我们就可以回到主线，继续看c.sendSomeMsgPackets()的代码了：

p2p/connection.go#L347-L360

func (c *MConnection) sendSomeMsgPackets() bool {
    // Block until .sendMonitor says we can write.
    // Once we're ready we send more than we asked for,
    // but amortized it should even out.
    c.sendMonitor.Limit(maxMsgPacketTotalSize, atomic.LoadInt64(&c.config.SendRate), true)

    // Now send some msgPackets.
    for i := 0; i < numBatchMsgPackets; i++ {
        if c.sendMsgPacket() {
            return true
        }
    }
    return false
}

c.sendMonitor.Limit的作用是限制发送速率，其中maxMsgPacketTotalSize即每个packet的最大长度为常量10240，第二个参数是预先指定的发送速率，默认值为500KB/s，第三个参数是说，当实际速度过大时，是否暂停发送，直到变得正常。

经过限速的调整后，后面一段就可以正常发送数据了，其中的c.sendMsgPacket是我们继续要看的方法：

p2p/connection.go#L363-L398

func (c *MConnection) sendMsgPacket() bool {
    // ...
    n, err := leastChannel.writeMsgPacketTo(c.bufWriter)
    // ..
    c.sendMonitor.Update(int(n))
    // ...
    return false
}

这个方法最前面我省略了一大段代码，其作用是检查多个channel，结合它们的优先级和已经发的数据量，找到当前最需要发送数据的那个channel，记为leastChannel。

然后就是调用leastChannel.writeMsgPacketTo(c.bufWriter)，把当前要发送的一块数据，写到bufWriter中。这个bufWriter就是真正与连接对象绑定的一个缓存区，写入到它里面的数据，会被Go发送出去。它的定义是在创建MConnection的地方：

p2p/connection.go#L114-L118

func NewMConnectionWithConfig(conn net.Conn, chDescs []*ChannelDescriptor, onReceive receiveCbFunc, onError errorCbFunc, config *MConnConfig) *MConnection {
    mconn := &MConnection{
        conn:        conn,
        bufReader:   bufio.NewReaderSize(conn, minReadBufferSize),
        bufWriter:   bufio.NewWriterSize(conn, minWriteBufferSize),

其中minReadBufferSize为1024，minWriteBufferSize为65536。

数据写到bufWriter以后，我们就不需要关心了，交给Go来操作了。

在leastChannel.writeMsgPacketTo(c.bufWriter)调用完以后，后面会更新c.sendMonitor，这样它才能继续正确的限速。

这时我们已经知道数据是怎么发出去的了，但是我们还没有找到是谁在监视sending里的数据，那让我们继续看leastChannel.writeMsgPacketTo：

p2p/connection.go#L655-L663

func (ch *Channel) writeMsgPacketTo(w io.Writer) (n int, err error) {
    packet := ch.nextMsgPacket()
    wire.WriteByte(packetTypeMsg, w, &n, &err)
    wire.WriteBinary(packet, w, &n, &err)
    if err == nil {
        ch.recentlySent += int64(n)
    }
    return
}

其中的ch.nextMsgPacket()是取出下一个要发送的数据块，那么是从哪里取出呢？是从sending吗？

其后的代码是把数据块对象变成二进制，放入到前面的bufWriter中发送。

继续ch.nextMsgPacket()：

p2p/connection.go#L638-L651

func (ch *Channel) nextMsgPacket() msgPacket {
    packet := msgPacket{}
    packet.ChannelID = byte(ch.id)
    packet.Bytes = ch.sending[:cmn.MinInt(maxMsgPacketPayloadSize, len(ch.sending))]
    if len(ch.sending) <= maxMsgPacketPayloadSize {
        packet.EOF = byte(0x01)
        ch.sending = nil
        atomic.AddInt32(&ch.sendQueueSize, -1) // decrement sendQueueSize
    } else {
        packet.EOF = byte(0x00)
        ch.sending = ch.sending[cmn.MinInt(maxMsgPacketPayloadSize, len(ch.sending)):]
    }
    return packet
}

终于看到sending了。从这里可以看出，sending的确是放着很多块鸭肉的砧板，而packet就是一个小盘，所以需要从先sending中拿出不超过指定长度的数据放到packet中，然后判断sending里还有没有剩下的。如果有，则packet的EOF值为0x00，否则为0x01，这样调用者就知道数据有没有发完，还需不需要去按那个叫send的铃。

那么到这里为止，我们就知道原来还是Channel自己在关注sending，并且为了限制发送速度，需要把它切成一个个小块。

最后就我们的第三个小问题了，其实我们刚才在第二问里已经弄清楚了。

sending中的数据被取走后，又是如何被发送到其它节点的呢？

答案就是，sending中的数据被分成一块块取出来后，会放入到bufWriter中，就直接被Go的net.Conn对象发送出去了。到这一层面，就不需要我们再继续深入了。

总结

由于本篇中涉及的方法调用比较多，可能看完都乱了，所以在最后，我们前面调用链补充完整，放在最后：

  • Node.Start -> SyncManager.Start -> SyncManager.netStart -> Switch.DialSeeds -> Switch.AddPeer -> Switch.startInitPeer -> Peer.OnStart -> MConnection.OnStart -> ...

  • Node.Start -> SyncManager.Start -> SyncManager.netStart -> Switch.OnStart -> Switch.listenerRoutine -> Switch.addPeerWithConnectionAndConfig -> Switch.AddPeer -> Switch.startInitPeer -> Peer.OnStart -> MConnection.OnStart -> ...

然后是：

  • MConnection.sendRoutine -> MConnection.send -> MConnection.sendSomeMsgPackets -> MConnection.sendMsgPacket -> MConnection.writeMsgPacketTo -> MConnection.nextMsgPacket -> MConnection.sending

到了最后，我的感觉就是，一个复杂问题最开始看起来很可怕，但是一旦把它分解成小问题之后，每次只关注一个，各个击破，好像就没那么复杂了。


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