Getheaders Message

Getheaders 消息是比特幣 P2P 協議中用於請求區塊頭的核心消息。 它是 Headers-First 同步策略的關鍵組件，允許節點高效地同步區塊鏈狀態。

Getheaders 概述

Getheaders 的作用:

Headers-First 同步流程:
┌─────────┐   getheaders    ┌─────────┐
│ Node A  │ ─────────────→  │ Node B  │
│         │    headers      │         │
│         │ ←─────────────  │         │
│         │   getheaders    │         │
│         │ ─────────────→  │         │
│         │    headers      │         │
│         │ ←─────────────  │         │
│         │      ...        │         │
└─────────┘                 └─────────┘

優點:
1. 只需 80 字節/區塊頭
2. 可以快速驗證 PoW
3. 確定最佳鏈後再下載區塊體
4. 並行下載區塊體

與 getblocks 的區別:
- getblocks: 返回 inv 列表
- getheaders: 直接返回區塊頭數據

消息格式

Getheaders 消息結構:

┌─────────────────────────────────────────┐
│ version (4 bytes, uint32)               │
│ hash_count (varint)                     │
│ block_locator_hashes (32 × n bytes)     │
│ hash_stop (32 bytes)                    │
└─────────────────────────────────────────┘

欄位說明:

version:
- 協議版本
- 通常與節點版本相同

hash_count:
- block_locator 中的雜湊數量

block_locator_hashes:
- 區塊定位器雜湊列表
- 用於找到共同祖先
- 詳見 Block Locator 頁面

hash_stop:
- 停止返回的區塊雜湊
- 全零表示返回盡可能多的頭

範例:
version: 70016
hash_count: 10
block_locator: [hash_1, hash_2, ..., hash_10]
hash_stop: 0x00...00 (繼續到最新)

Block Locator

Getheaders 中的 Block Locator:

結構（指數遞減間隔）:
假設當前高度 100,000:

位置 0:  100,000 (最新)
位置 1:   99,999
位置 2:   99,998
...
位置 10:  99,990
位置 11:  99,988 (步長 2)
位置 12:  99,984 (步長 4)
位置 13:  99,976 (步長 8)
...
最後:         0 (創世區塊)

接收方處理:
1. 遍歷 locator 中的雜湊
2. 找到第一個已知的區塊
3. 從該區塊之後返回 headers

為什麼這樣設計:
- 大多數情況下分叉很淺
- 前幾個雜湊就能匹配
- 深度分叉時也能找到共同祖先

回應處理

對 getheaders 的回應:

接收方邏輯:
def process_getheaders(locator, hash_stop):
    # 找到共同祖先
    start = None
    for hash in locator:
        if is_known_block(hash):
            start = get_block(hash)
            break

    if start is None:
        start = genesis_block

    # 收集 headers
    headers = []
    current = start.next
    while current and len(headers) < 2000:
        headers.append(current.header)
        if current.hash == hash_stop:
            break
        current = current.next

    return headers_message(headers)

限制:
- 最多返回 2000 個 headers
- 這是協議硬限制
- 需要多次請求獲取更多

空回應:
- 如果沒有新 headers
- 返回空的 headers 消息
- 表示已同步到最新

同步策略

使用 getheaders 進行同步:

初始同步 (IBD):
1. 連接到節點
2. 發送 getheaders(genesis_locator)
3. 收到 2000 個 headers
4. 驗證 headers（PoW、連接性）
5. 發送 getheaders(new_locator)
6. 重複直到收到空回應

追趕同步:
1. 發送 getheaders(current_tip_locator)
2. 收到缺失的 headers
3. 驗證並更新鏈狀態

代碼示例:
def sync_headers():
    while True:
        locator = build_locator(chain.tip)
        send_getheaders(locator, hash_stop=0)

        headers = wait_for_headers()
        if len(headers) == 0:
            break  # 同步完成

        for header in headers:
            if validate_header(header):
                chain.add_header(header)

// 典型 IBD 需要約 400 次 getheaders 請求

與 Sendheaders 的關係

Getheaders vs Sendheaders:

Getheaders (拉取模式):
- 主動請求 headers
- 用於初始同步
- 需要知道要從哪裡開始

Sendheaders (推送模式):
- 請求對方主動推送新 headers
- 用於維持同步
- 新區塊時自動收到通知

典型流程:
1. IBD 期間使用 getheaders
2. 同步完成後發送 sendheaders
3. 之後新區塊通過 headers 消息推送
4. 偶爾用 getheaders 檢查是否遺漏

組合使用:
// 初始同步
while not synced:
    getheaders()

// 切換到推送模式
send_sendheaders()

// 後續新區塊自動到達

錯誤處理

Getheaders 的錯誤情況:

1. 無效的 locator
   - 所有雜湊都未知
   - 從創世區塊開始回應

2. 惡意請求
   - 頻繁請求同樣的範圍
   - 可能觸發速率限制

3. 分叉情況
   - 請求方在不同鏈上
   - 需要找到共同祖先
   - 可能返回空（如果完全不同）

4. 修剪節點
   - 可能沒有舊區塊頭
   - 返回可用的範圍

防護措施:
- 驗證收到的 headers
- 檢查 PoW
- 檢查連接性
- 限制處理速率

if headers_invalid:
    misbehaving(peer, score=20)

調試與監控

# 監控 headers 同步

# 查看同步狀態
bitcoin-cli getblockchaininfo | jq '{
  blocks: .blocks,
  headers: .headers,
  progress: .verificationprogress
}'

# headers > blocks 表示正在下載區塊體

# 查看節點同步狀態
bitcoin-cli getpeerinfo | jq '.[] | {
  id: .id,
  synced_headers: .synced_headers,
  synced_blocks: .synced_blocks
}'

# 日誌設置
# bitcoin.conf
debug=net

# 日誌輸出:
# "Sending getheaders to peer=5"
# "Received 2000 headers from peer=5"
# "Synchronizing headers, height: 750000 (~93%)"

# 計算同步進度
headers_synced = 750000
headers_total = 800000
progress = headers_synced / headers_total  # 93.75%

實現細節

Bitcoin Core 中的實現:

// 發送 getheaders
void PeerManager::SendGetHeaders(CNode& node, const CBlockIndex* pindex) {
    CBlockLocator locator = chainman.ActiveChain().GetLocator(pindex);

    connman.PushMessage(&node,
        CNetMsgMaker(node.GetCommonVersion())
            .Make(NetMsgType::GETHEADERS,
                  locator,
                  uint256()));  // hash_stop = 0
}

// 處理 getheaders
void PeerManager::ProcessGetHeaders(CNode& node,
    const CBlockLocator& locator, const uint256& hashStop)
{
    // 找到起始點
    const CBlockIndex* pindex = nullptr;
    if (locator.IsNull()) {
        pindex = chainman.ActiveChain().Genesis();
    } else {
        pindex = chainman.m_blockman.FindForkInGlobalIndex(
            chainman.ActiveChain(), locator);
    }

    // 收集 headers
    std::vector<CBlockHeader> vHeaders;
    while (pindex && vHeaders.size() < MAX_HEADERS_RESULTS) {
        pindex = chainman.ActiveChain().Next(pindex);
        if (pindex) {
            vHeaders.push_back(pindex->GetBlockHeader());
            if (pindex->GetBlockHash() == hashStop) {
                break;
            }
        }
    }

    // 發送回應
    connman.PushMessage(&node,
        CNetMsgMaker(node.GetCommonVersion())
            .Make(NetMsgType::HEADERS, vHeaders));
}

const size_t MAX_HEADERS_RESULTS = 2000;

相關概念

• Headers-First Sync：區塊頭優先同步
• Headers Message：區塊頭回應
• Sendheaders：區塊頭推送模式
• Block Locator：區塊定位器
• IBD：初始區塊下載