以太坊阶段式同步：重构完全同步模式（Full Sync）

阶段式同步（staged sync）重构自 Go-Ethereum 的完全同步模式（full sync），以实现更好的性能。

阶段式同步需要进行大量读写操作。虽然我们的目标是能够在机械硬盘上同步节点，但是我们仍建议使用固态硬盘。

顾名思义，阶段式同步需要依次执行 10 个阶段。

Turbo-Geth 客户端会向每个对等节点了解该节点的 HEAD 区块（即最新区块），然后依次执行每个阶段、寻找本地 HEAD 区块和对等节点的 HEAD 区块之间缺失的区块。

第一个阶段（下载区块头）会设置本地 HEAD 区块。

各阶段会按顺序执行。在每个阶段执行期间，只有节点本地的状态达到目标状态，该阶段才会结束。

也就是说，在理想情况下（没有出现网络中断、应用没有重启等问题），每个阶段只需执行一次，即可完成初始同步。

最后一阶段结束后，整个同步流程会重新开始，寻找新的区块头下载。

如果你在两个阶段之间重启应用，应用会从第一阶段开始重启。

如果你在某个阶段执行期间重启应用，应用会从当前阶段开始重启，以完成该阶段。

通过下方的饼状图，我们可以看出每个阶段的耗时占比（这些都是从完全同步中得出的数据）。虽然这些数据并不精确，但是足以作为参考。

如果区块链发生重组，我们需要“回退”部分同步数据。

回退指的是从最后一个阶段倒退回第一个阶段。但是，需要注意的一点是，我们执行完回退之后才会更新交易池，因此我们知道新的 nonce 。

回退的阶段顺序如下例所示（从右往左依次发生）。

state.unwindOrder = []*Stage{

   // Unwinding of tx pool (reinjecting transactions into the pool needs to happen after unwinding execution)

   stages, stages, stages, stages, stages, stages, stages, stages, stages, stages,

 }

通过 ETL 进行预处理

在将数据插入数据库之前，一些阶段会使用我们的 ETL 框架根据键值对数据进行排序。

这样就可以极大减少数据库写入放大（write amplification）的情况。

因此，当我们生成索引或者说哈希值化状态（Hashed State）时，我们会执行一个多步骤流程。

将处理过的数据写入位于数据目录的几个临时文件中；

然后使用一个堆栈（heap）把临时文件中的数据插入到数据库中，并且使按照能够最小化数据库写入放大现象的顺序插入数据。

这种优化有时会将写入速度提高几个数量级。

每个阶段都包含两个函数，分别是向前推进阶段的ExecFunc 和向后回退阶段的 UnwindFunc。

从理论上来说，部分阶段可以离线工作，但是当前版本并未实现这一功能。

阶段 1 ：下载区块头

在这一阶段，我们会下载本地 HEAD 区块和对等节点的 HEAD 区块之间的所有区块头。

这一阶段是 CPU 密集型的，适合使用多核处理器，因为要验证区块头的工作量证明。

由于区块链重组，大多数回退都是在这一阶段开始的。

这一阶段会推动本地 HEAD 的指针（指向更新的区块）。

阶段 2 ：区块哈希值

从区块头中抽取出一个从区块哈希值映射成区块号（blockHash -> blockNumber）的索引表，以支持更快速的查找功能，并让同步过程对机械硬盘更为友好。

阶段 3 ：下载区块体

在这一阶段，我们会将上一阶段已下载区块头的区块体也下载下来。

这一阶段需要保持良好的联网连接。绝大多数数据都在这一阶段下载。

阶段 4 ：复原发送者

这一阶段会复原出并存储每个已下载区块中的每笔交易的发送者。

这一阶段同样是 CPU 密集型的，适合使用多核处理器。

这一阶段不需要联网。

阶段 5 ：执行区块

在这一阶段，我们会执行之前下载的所有区块中的每一笔交易。

需要注意的一点是，在执行区块的过程中，我们不会验证根哈希，甚至不会创建默克尔树。

这一阶段是单线程的，无需联网，需占用大量磁盘空间。如果区块执行失败，可以回退该阶段。

阶段 6 ：计算状态根

这一阶段会构建默克尔树，并验证当前状态的根哈希。

这一阶段也会构建中间哈希值（Intermediate Hashes），并将它们存储到数据库中。

如果之前没有存储任何中间哈希值（这种情况可能在第一个初始同步期间发生），这一阶段会构建出完整的默克尔树及其根哈希。

如果数据库中没有中间哈希值，这一阶段就会利用区块的历史记录来弄清楚哪些哈希值已经过时，哪些哈希值是最新的，然后使用最新的哈希值来构建部分默克尔树，只重构过时的哈希值。

如果根哈希无法匹配，就会向后回退一个区块。

阶段 7 ：生成哈希值化状态

在执行期间，Turbo-Geth 使用无格式状态存储（Plain state storage）。

无格式状态（Plain State）：在标准状态（我们称之为 “哈希值化状态”）中，账户和存储项的地址是 keccak256(address) ，但是在一般状态中，二者的地址就是 address 。

尽管如此，为了确保一些 API 能够正常运作并与其它客户端保持兼容，我们也会生成哈希值化状态。

如果哈希值化状态不是空值，我们会查看历史记录变更集（History ChangeSet），并且只更新已更改的项。

这个阶段不需要联网。

阶段 8、9、10 ：生成索引

同步期间会生成 3 个索引。

这 3 个索引可能会被禁用，因为所有 API 都不使用它们。

交易查询索引

该索引表由从交易哈希值到区块号的映射构成。

账户历史索引

该索引存储了从账户地址到区块列表（在这些区块中，该账户的状态有了更改）的映射。

存储历史索引

该索引存储了从存储项地址到区块列表（其中，该存储项在一定程度上有了更改）的映射。

在这一阶段，我们会启动交易池或更新其状态。例如，如果我们已下载的区块中包含了某些交易，就把这些交易从交易池中移除。

在回退时，我们会将被回退的区块中的交易重新添加到交易池中。

原文链接:

https://github.com/ledgerwatch/turbo-geth/tree/master/eth/stagedsync

作者: Alex Sharov

翻译&校对: 闵敏 & 阿剑

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