文章目錄

• [北大肖臻-區塊鏈技術與應用筆記]第八節課——BTC 分叉
• • • state fork
    • protocol fork
    • • 硬分叉（hard fork）
      • • block size limit
      • 軟分叉（soft fork）
      • • 實際中情形
        • • 給某些目前協議中沒有規定的域增加新的含義
          • 增加新的功能
      • 總結
    • 參考資料

[北大肖臻-區塊鏈技術與應用筆記]第八節課——BTC 分叉

state fork

如果兩個節點差不多同時挖到一個區塊，這兩個區塊都是掛在當前的區塊上的，不同節點先收到的區塊不同，就會各自沿著先收到的區塊往下擴展，這種時候就會出現臨時性的分叉，稱為state fork，即由于對區塊鏈當前的狀態有意見分歧而產生的分叉。

分叉攻擊（forking attack）也屬于state fork，只不過這種意見分歧是人為造成的，這種情況也稱為deliberate fork。

protocol fork

要修改比特幣協議需要軟件升級，在去中心化的系統中，沒辦法要求所有的結點都升級軟件

假設大部分節點升級了軟件，少部分節點沒有升級（可能是沒來得及升級，也可能是不同意協議的修改），這種分叉稱為protocol fork，即對比特幣協議產生了分歧，使用不同版本的協議而產生的分叉。

在protocol fork中，根據對協議修改的內容的不同，又可以分為硬分叉和軟分叉。

硬分叉（hard fork）

如果對比特幣協議增加一些新的特性，擴展一些新的功能，這時候沒有升級協議的那些結點是不認可這些新特性的，認為它們是非法的。

block size limit

硬分叉的一個例子就是比特幣中的區塊大小限制。

比特幣限制每個區塊不超過1M，這樣算下來大約最多能容納4000個交易。而平均10分鐘產生一個區塊，算下來大約平均每秒只能寫入7個交易。

有的人就認為區塊太小了，限制了交易上鏈的速度。

假設軟件更新了，將區塊大小的限制從1M提高到4M，假設大多節點更新了軟件以支持這個協議。節點的“多數”和“少數”不是按照賬戶數目來算的，而是根據算力來算的，上面那句話是假設系統中擁有大多哈希算力的節點都更新了軟件。

當系統運行起來。假設新節點挖出一個區塊，這個區塊是比較大的，但舊節點是不認可這個區塊的，不會沿著這個區塊繼續往下挖，而是繼續沿著之前的區塊往下挖下一個區塊。

舊的節點不認可大的區塊，小的區塊新舊節點都認可。

假定大多節點都是新節點，即更新了軟件支持新的協議，因為“大多數”即是其算力更強，新節點的新區塊的分叉很快就比舊節點的分叉長了

對新節點而言，上下兩條鏈都是合法鏈，但因為只會去擴展最長合法鏈，所以還是會沿著上面的鏈往下挖。因為只是約束了大小不到4M就可以，新節點也可能挖出一些大小不到1M的區塊

這樣的區塊是新舊節點都承認的，但上面這條鏈上有舊節點認為不合法的區塊，所以舊節點始終不會去擴展這條鏈，還是繼續沿著下面這條鏈往下挖

這樣的分叉是永久性的，只要這些舊節點不更新軟件，這樣的分叉就不會消失。比特幣網絡中，會有部分很保守的人，像這樣的協議更新勢必會有一些節點不同意，產生硬分叉。

出現硬分叉之后，出現了兩條平行運行的鏈，兩條鏈上的BTC也是不相干的，各挖各的礦。在某條鏈上的出塊獎勵，對于認可這條鏈為最長合法鏈的節點而言是有效的，對認可另一條鏈的則是無效的，而分裂之前產生的BTC則是在兩條鏈上都認可的。從這個意義上來看，硬分叉可以認為是產生了新的一種加密貨幣。

在硬分叉后設置chain ID，來標識這兩條鏈為兩條獨立的鏈

軟分叉（soft fork）

如果對比特幣協議加了一些限制，使得原本某些合法的交易或區塊，在限制后的新協議中變得不合法，那么形成的分叉是軟分叉。

假設對軟件進行更新：使區塊大小變小，從1M變為0.5M。假設大多節點是新節點，即已經更新了協議，區塊限制為0.5M；少部分節點是舊節點，仍然認定區塊限制為1M。

這時，新節點挖出的區塊，舊節點會認為是合法的（因為在1M以內）；但是舊節點挖出的區塊，新節點很可能不認為是合法的（因為很可能不在0.5M內）：

因為新節點占了大部分算力，所以很可能先挖到某個區塊，出現上圖的情況。這時舊節點觀察到上面那條是最長合法鏈，就會放棄自己的分叉，接著上面的鏈繼續挖。

某個時刻，舊節點先于新節點挖出一個區塊，將其上鏈：

這個區塊大于0.5M，新節點不認，會繼續擴展上一個合法的區塊。

所以在這種情況下，會持續出現軟分叉，只要舊節點不更新協議，挖出的區塊就一直無法上鏈。相比硬分叉，軟分叉即是非永久存在的分叉，只會臨時存在一段時間。

實際中情形

給某些目前協議中沒有規定的域增加新的含義

這種情況下即是當前協議中未限制的一些域，被賦予了新的規則。一個例子就是鑄幣交易的CoinBase域，沒人規定也沒人檢查。前面學習挖礦難度時，提到這個域可以作為extra nonce來使用，比如拿出前8個字節來和nonce一起調整，以增大挖礦的搜索空間。

CoinBase即便拿出了前8個字節，后面還是有很長的可調整空間。有人就提出將其作為UTXO（未花費的交易輸出）的根哈希值，因為目前這個UTXO集合只是每個全節點自己在維護，目的就是快速查找，判斷交易合法性，這個集合的內容沒有寫到區塊鏈里。

Merkle proof可以證明某個交易存在于某個區塊中，那么如何證明某個賬戶A中有多少錢？全節點可以在本地的UTXO集合里算一下，即找到UTXO中所有轉賬給A的交易的輸出，加在一起。

但如果是輕節點呢？例如手機上的比特幣錢包。輕節點要去請求全節點，全節點返回結果給它，如何證明全節點返回給輕節點的是正確的呢？輕節點自己沒有維護一個UTXO集合，所以是證明不出來的。

因此有人提出將UTXO中的交易也組織成一個Merkle Tree，將其根哈希值寫在鑄幣交易的CoinBase域里面，而鑄幣交易中的此內容也會隨著影響交易的Merkle Tree的根哈希值，這在輕節點里是保存了的。所以在這種方式下就可以像Merkle proof的方式一樣證明賬戶里有多少錢，需要提供UTXO的Merkle Tree對應位置的哈希。

增加新的功能

P2SH（Pay to Script Hash）形式的交易腳本，最開始的比特幣系統中是沒有的，是后來通過軟分叉的方式加進去的。

總結

硬分叉特點：只要系統中半數以上（算力）的節點更新了軟件，就不會出現永久性的分叉。這類分叉為軟分叉

軟分叉特點：必須系統中所有（算力）的節點都更新了軟件，才不會出現永久性的分叉。

參考資料

1、【區塊鏈學習筆記】10：比特幣系統中的分叉

總結

以上是生活随笔為你收集整理的[北大肖臻-区块链技术与应用笔记]第八节课——BTC 分叉的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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