進階
Headers Message
了解 P2P 協議中的 headers 消息，用於傳輸區塊頭數據實現高效同步。
8 分鐘
Headers 消息是比特幣 P2P 協議中用於傳輸區塊頭的消息類型。 它是 getheaders 請求的回應，也用於在啟用 sendheaders 後主動推送新區塊頭。
Headers 消息概述
Headers 消息的用途:
1. 回應 getheaders 請求
┌─────────┐ getheaders ┌─────────┐
│ Node A │ ─────────────→ │ Node B │
│ │ headers │ │
│ │ ←───────────── │ │
└─────────┘ └─────────┘
2. 主動推送新區塊（sendheaders 模式）
┌─────────┐ headers ┌─────────┐
│ Miner │ ─────────────→ │ Node │
│ │ │ │
└─────────┘ └─────────┘
特點:
- 只包含區塊頭（80 bytes/個）
- 不包含交易數據
- 可以快速驗證 PoW
- 確定最佳鏈後再下載區塊體消息格式
Headers 消息結構:
┌─────────────────────────────────────────┐
│ count (varint) │
│ headers: │
│ ┌─────────────────────────────────┐ │
│ │ version (4 bytes) │ │
│ │ prev_block (32 bytes) │ │
│ │ merkle_root (32 bytes) │ │
│ │ timestamp (4 bytes) │ │
│ │ bits (4 bytes) │ │
│ │ nonce (4 bytes) │ │
│ │ txn_count (varint, always 0) │ │
│ └─────────────────────────────────┘ │
│ × count │
└─────────────────────────────────────────┘
每個 header 項:
- 區塊頭: 80 bytes
- txn_count: 1 byte（總是 0）
- 總計: 81 bytes/項
注意:
- txn_count 總是 0
- 這是歷史設計決定
- 原本可能計劃包含交易
限制:
- 最多 2000 個 headers
- 大約 162 KB 最大大小區塊頭結構
每個區塊頭的詳細結構:
┌────────────────────────────────────────────┐
│ version (4 bytes, int32_t) │
│ - 區塊版本號 │
│ - 包含軟分叉信號位 │
├────────────────────────────────────────────┤
│ prev_block (32 bytes, uint256) │
│ - 前一區塊的雜湊 │
│ - 建立區塊鏈連接 │
├────────────────────────────────────────────┤
│ merkle_root (32 bytes, uint256) │
│ - 交易 Merkle 樹根 │
│ - 承諾區塊內所有交易 │
├────────────────────────────────────────────┤
│ timestamp (4 bytes, uint32_t) │
│ - 區塊時間戳 │
│ - Unix epoch 秒 │
├────────────────────────────────────────────┤
│ bits (4 bytes, uint32_t) │
│ - 難度目標（壓縮格式） │
│ - 決定 PoW 要求 │
├────────────────────────────────────────────┤
│ nonce (4 bytes, uint32_t) │
│ - 隨機數 │
│ - 礦工調整以滿足 PoW │
└────────────────────────────────────────────┘
總計: 80 bytes驗證流程
收到 headers 後的驗證:
def process_headers(headers):
for header in headers:
# 1. 驗證 PoW
block_hash = hash256(header)
target = bits_to_target(header.bits)
if block_hash > target:
reject("Invalid PoW")
# 2. 檢查前一區塊
if not have_header(header.prev_block):
# 孤立 header，需要請求更多
send_getheaders()
return
# 3. 驗證時間戳
prev = get_header(header.prev_block)
if header.timestamp <= median_time_past(prev):
reject("Timestamp too early")
# 4. 驗證難度
expected_bits = calculate_next_work(prev)
if header.bits != expected_bits:
reject("Invalid difficulty")
# 5. 接受 header
store_header(header)
# 決定是否請求區塊體
update_best_chain()同步過程中的 Headers
IBD 期間的 headers 同步:
流程:
1. 發送 getheaders(locator)
2. 收到 headers (最多 2000 個)
3. 驗證所有 headers
4. 如果收到 2000 個，還有更多
5. 發送新的 getheaders
6. 重複直到收到 < 2000 個
代碼示例:
class HeaderSync:
def sync(self):
while True:
locator = self.build_locator()
self.send_getheaders(locator)
headers = self.wait_for_headers(timeout=60)
if len(headers) == 0:
print("Headers synced!")
break
for header in headers:
self.process_header(header)
if len(headers) < 2000:
print("Headers synced!")
break
同步 80 萬個區塊:
- 約 400 次 getheaders 請求
- 約 64 MB headers 數據
- 幾分鐘完成（比下載區塊體快得多）新區塊通告
使用 headers 通告新區塊:
條件:
- 對方發送過 sendheaders
- 新區塊數量 <= 8 個
單個新區塊:
headers = [new_block.header]
send_headers(headers)
多個新區塊（追趕）:
# 對方落後了幾個區塊
missing = find_missing_since(peer.best_known)
if len(missing) <= 8:
send_headers(missing)
else:
send_inv(missing) # 太多了
接收方處理:
def on_headers_announcement(headers):
for h in headers:
validate_and_store(h)
# 請求區塊體
for h in headers:
if should_download(h):
request_block(h.hash)錯誤處理
Headers 消息的錯誤情況:
1. 無效的 PoW
- 區塊雜湊不滿足難度
- 嚴重錯誤，斷開連接
2. 斷開的鏈
- prev_block 未知
- 發送 getheaders 請求缺失部分
3. 無效的時間戳
- 過早（< MTP）
- 過晚（> 當前時間 + 2小時）
4. 錯誤的難度
- 不符合難度調整規則
- 可能是錯誤或攻擊
5. 過多的 headers
- 超過 2000 個
- 協議違規
錯誤回應:
if header_invalid:
misbehaving(peer, score=100) # 嚴重
disconnect(peer)
if chain_disconnected:
send_getheaders(locator) # 嘗試修復調試與監控
# 監控 headers 同步
# 查看 headers 同步進度
bitcoin-cli getblockchaininfo | jq '{
blocks: .blocks,
headers: .headers,
bestblockhash: .bestblockhash
}'
# 如果 headers > blocks，正在下載區塊體
# 查看節點的 headers 狀態
bitcoin-cli getpeerinfo | jq '.[] | {
id: .id,
synced_headers: .synced_headers
}'
# 日誌設置
# bitcoin.conf
debug=net
# 日誌輸出:
# "Received headers from peer=5: 2000 headers"
# "Processed 2000 headers in 0.5s"
# "Headers sync progress: 750000/800000 (93.75%)"
# 計算 headers 消息大小
# count + (81 × n) bytes
# 2000 headers ≈ 162 KB實現細節
Bitcoin Core 中的實現:
// 處理收到的 headers
void PeerManager::ProcessHeaders(CNode& node,
const std::vector<CBlockHeader>& headers)
{
if (headers.empty()) {
return;
}
const CBlockIndex* pindexLast = nullptr;
for (const CBlockHeader& header : headers) {
// 驗證 header
CValidationState state;
if (!chainman.ProcessNewBlockHeaders(
{header}, state, &pindexLast)) {
if (state.IsInvalid()) {
Misbehaving(node.GetId(),
state.GetDoS(),
state.GetRejectReason());
return;
}
}
}
// 更新節點狀態
UpdateBlockAvailability(node.GetId(), pindexLast);
// 可能請求區塊
if (pindexLast && pindexLast->nChainWork > chainman.ActiveTip()->nChainWork) {
// 新鏈工作量更大，請求區塊
RequestBlocksFromPeer(node);
}
}
// 驗證單個 header
bool CheckBlockHeader(const CBlockHeader& header, CValidationState& state) {
// 檢查 PoW
if (!CheckProofOfWork(header.GetHash(), header.nBits, params)) {
return state.Invalid(BlockValidationResult::BLOCK_INVALID_HEADER,
"high-hash", "proof of work failed");
}
return true;
}相關概念
- Getheaders：區塊頭請求
- Sendheaders：區塊頭推送模式
- Headers-First Sync：頭部優先同步
- Block Header：區塊頭結構
- IBD：初始區塊下載
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