學術 | 5分鐘讀懂區塊鏈分叉

Trias聯合「北大軟微-八分量協同創新實驗室」定期舉辦技術沙龍。該實驗室成立於2017年9月份，以可信計算、區塊鏈等作為主要研究方向，致力於推動智能互聯新時代下的人機互信問題的解決。

現在，我們會推出由實驗室教授、博士生以及碩士生主筆撰寫的系列文章。本期文章由北京大學的博士生辛武撰寫。

在學術 | 分叉史上的三次重大事件一文中，我們簡要概述了三次分叉事件，本文會對分叉的類別和原理做出簡要的介紹，務求讓沒有經驗的小白也完全看得懂。

一、

區塊鏈分叉概念

區塊鏈的分叉需要從「系統升級」談起，大家都知道區塊鏈構建的是去中心化的系統，而我們傳統的系統大都是中心化的系統。

對於中心化的系統，其升級比較簡單，可分為：服務器升級和終端（客戶端）升級。對於服務器升級來說，只要在後台部署好，即可一鍵升級；對於終端升級來說，可以選擇在軟件庫或應用商店直接升級，終端版本的不一致並不會影響客戶使用其服務。

對於去中心化的系統，其升級比較複雜。由於其沒有中心機構，沒有服務器，所以不存在服務器升級；對於終端升級來說，可以在各自社區中下載、安裝，然後完成升級。這里需要注意的是：終端版本的不一致，可能影響客戶使用其服務，最終導致其分叉。

區塊鏈分叉就是指區塊鏈在進行「升級」時發生了意見分歧，從而導致區塊鏈分叉，即終端版本不一致。由於沒有中心化機構，數字貨幣每次「代碼升級」都需要獲得社區的一致認可，如果社區無法達成一致，區塊鏈就會形成分叉。

「升級」可能導致「共識機制」不同，共識機制可分為以下幾種：

l 共識算法：NBFT/CFT：Paxos、Raft；BFT：PBFT、 POW、POX

l 區塊大小：1MB、2MB、8MB、32MB、64MB

l 帳戶模型：UTXO、帳戶餘額

l 挖礦難度：時間間隔、Hash函數

l 貨幣總量

l ……

二、

區塊鏈分叉分類

在區塊鏈升級時或終端版本升級時，如果新版本和舊版本中的區塊能夠相互兼容，稱為「軟分叉」，不能相互兼容就稱為「硬分叉」。

軟分叉和硬分叉都「向後兼容」，這樣才能保證新節點可以從頭驗證區塊鏈。而軟分叉還可以「向前兼容」，向前兼容是指舊版本的終端可以接受由新版本的終端所產生的區塊，如下圖所示：

舊版本 新版本 舊版本

三、

比特幣的最長鏈原則

在比特幣挖礦中，存在2個礦工幾乎同時解出題目或計算出Hash值的情況，即同時挖礦成功。在這種情況下2個礦工會形成2個區塊，其數據一定不一樣。接下來對這2個區塊進行分析：

首先，這2個區塊中記錄的第一筆交易為：CoinBase交易（挖礦交易）。這筆交易沒有轉出地址，即沒有任何人付給礦工這筆錢，這筆錢來自系統；礦工可以理所應當的記錄自己獲得了12.5比特幣；所有節點都認可礦工這樣記錄，因此礦工就得到了挖礦收入。由於每個礦工只會把挖礦收入轉入自己的地址，而每個礦工的地址不同，故2個區塊中的第一條記錄肯定不一樣；

其次，這2個區塊中打包的交易數據也不同。由於交易手續費不同，礦工都會優先打包手續費高的交易，當存在相同手續費的交易情況時，每個礦工的選擇也會不同。

由於這2個礦工的區塊數據都不一樣，所以他們解題得出的結果也是不一樣的，即計算出的Hash值不同，但都是正確答案，只是區塊不同。於是，此時區塊鏈中出現了兩個都滿足要求的不同區塊。

那麼，全體礦工這時該怎麼辦呢？

由於在區塊鏈中網路廣播的距離遠近不同，不同的礦工接收到這2個區塊是有先後順序的。通常情況下，礦工們會把自己先看到的區塊復制過來，然後接著在這個區塊開始新的挖礦工作。出現了這樣的情景：

以POW共識機制為例，從分叉的區塊起，由於不同的礦工跟從了不同的區塊，在分叉出來的兩條不同鏈上，算力是有差別的。

由於算力和礦工的數量成正比，因此兩條鏈的增長速度也是不一樣的，在一段時間之後，總有一條鏈的長度要超過另一條。

礦工永遠認為最長鏈是正確的。當礦工發現全網有一條更長的鏈時，他就會拋棄他當前的鏈，把新的更長的鏈全部復制回來，在這條鏈的基礎上繼續挖礦；所有礦工都這樣操作，這條鏈就成為了主鏈。

如下圖所示，分叉出來的鏈會被拋棄掉，之後會消失。在這個分叉過程中：所有礦工都遵從同樣的機制，即「追隨最長鏈原則」。

四、

圍繞區塊鏈分叉的分析

根據前面區塊鏈分叉場景的描述，區塊鏈分叉有以下四種情況：

l 第一種：區塊鏈內部機制——區塊鏈產生孤塊（軟分叉）

數字貨幣正常記帳因網路延遲等技術原因，可能出現了兩個不同內容區塊，當其中一個後面跟的區塊更多時，另一個區塊及跟隨的短鏈就會被拋棄變成「孤塊」，這也就是所謂「追隨最長鏈原則」

l 第二種：終端版本升級——軟分叉

軟分叉是指舊的節點並不會意識到區塊鏈代碼發生改變，並繼續接受由新節點創造的區塊。礦工們可能完全沒意識到區塊鏈已經分叉了。

l 第三種：終端版本升級——硬分叉

硬分叉升級時要求大家都更換到新版本，如果有人還用舊版本，就會產生兩個相互不承認的分叉鏈，這時「最長鏈原則」無效了。但舊版本出的塊往往沒有交易所支持，區塊獎勵一文不值，所以用舊版本的人發現沒人跟隨他出塊，就會找原因，發現新版本就會立刻更新版本，舊版本的鏈就消失了。

l 第四種：社區、鏈、幣的分裂——永久分叉（硬分叉）

如果兩個不兼容的版本不是因為意外而並存，而是因為各有一些人支持不同版本的特徵，堅決反對另一個版本的特徵。

兩個版本就一直有人支持同時運行，互相不接受包含了對方版本特徵的鏈。記出來的區塊鏈就永久分成了兩個鏈，鏈上記載的幣就分成了兩種，社區也分裂成兩個社區。

五、

總結

「區塊鏈分叉」會消失的情況：

l 第一種：區塊鏈內部機制——區塊鏈產生孤塊（軟分叉）

l 第二種：終端版本升級——軟分叉

l 第三種：終端版本升級——硬分叉

「區塊鏈分叉」不會消失的情況

l 第四種：社區、鏈、幣的分裂——永久分叉（硬分叉）

對於不會消失的「區塊鏈分叉」，即永久分叉，並非技術問題，而是一個涉及人性和利益的問題，目前看來，似乎難以解決。