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• [北大肖臻-區(qū)塊鏈技術(shù)與應(yīng)用筆記](méi)第八節(jié)課——BTC 分叉
• • • state fork
    • protocol fork
    • • 硬分叉（hard fork）
      • • block size limit
      • 軟分叉（soft fork）
      • • 實(shí)際中情形
        • • 給某些目前協(xié)議中沒(méi)有規(guī)定的域增加新的含義
          • 增加新的功能
      • 總結(jié)
    • 參考資料

[北大肖臻-區(qū)塊鏈技術(shù)與應(yīng)用筆記](méi)第八節(jié)課——BTC 分叉

state fork

如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)差不多同時(shí)挖到一個(gè)區(qū)塊，這兩個(gè)區(qū)塊都是掛在當(dāng)前的區(qū)塊上的，不同節(jié)點(diǎn)先收到的區(qū)塊不同，就會(huì)各自沿著先收到的區(qū)塊往下擴(kuò)展，這種時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)臨時(shí)性的分叉，稱為state fork，即由于對(duì)區(qū)塊鏈當(dāng)前的狀態(tài)有意見(jiàn)分歧而產(chǎn)生的分叉。

分叉攻擊（forking attack）也屬于state fork，只不過(guò)這種意見(jiàn)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(xié)議需要軟件升級(jí)，在去中心化的系統(tǒng)中，沒(méi)辦法要求所有的結(jié)點(diǎn)都升級(jí)軟件

假設(shè)大部分節(jié)點(diǎn)升級(jí)了軟件，少部分節(jié)點(diǎn)沒(méi)有升級(jí)（可能是沒(méi)來(lái)得及升級(jí)，也可能是不同意協(xié)議的修改），這種分叉稱為protocol fork，即對(duì)比特幣協(xié)議產(chǎn)生了分歧，使用不同版本的協(xié)議而產(chǎn)生的分叉。

在protocol fork中，根據(jù)對(duì)協(xié)議修改的內(nèi)容的不同，又可以分為硬分叉和軟分叉。

硬分叉（hard fork）

如果對(duì)比特幣協(xié)議增加一些新的特性，擴(kuò)展一些新的功能，這時(shí)候沒(méi)有升級(jí)協(xié)議的那些結(jié)點(diǎn)是不認(rèn)可這些新特性的，認(rèn)為它們是非法的。

block size limit

硬分叉的一個(gè)例子就是比特幣中的區(qū)塊大小限制。

比特幣限制每個(gè)區(qū)塊不超過(guò)1M，這樣算下來(lái)大約最多能容納4000個(gè)交易。而平均10分鐘產(chǎn)生一個(gè)區(qū)塊，算下來(lái)大約平均每秒只能寫(xiě)入7個(gè)交易。

有的人就認(rèn)為區(qū)塊太小了，限制了交易上鏈的速度。

假設(shè)軟件更新了，將區(qū)塊大小的限制從1M提高到4M，假設(shè)大多節(jié)點(diǎn)更新了軟件以支持這個(gè)協(xié)議。節(jié)點(diǎn)的“多數(shù)”和“少數(shù)”不是按照賬戶數(shù)目來(lái)算的，而是根據(jù)算力來(lái)算的，上面那句話是假設(shè)系統(tǒng)中擁有大多哈希算力的節(jié)點(diǎn)都更新了軟件。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)。假設(shè)新節(jié)點(diǎn)挖出一個(gè)區(qū)塊，這個(gè)區(qū)塊是比較大的，但舊節(jié)點(diǎn)是不認(rèn)可這個(gè)區(qū)塊的，不會(huì)沿著這個(gè)區(qū)塊繼續(xù)往下挖，而是繼續(xù)沿著之前的區(qū)塊往下挖下一個(gè)區(qū)塊。

舊的節(jié)點(diǎn)不認(rèn)可大的區(qū)塊，小的區(qū)塊新舊節(jié)點(diǎn)都認(rèn)可。

假定大多節(jié)點(diǎn)都是新節(jié)點(diǎn)，即更新了軟件支持新的協(xié)議，因?yàn)椤按蠖鄶?shù)”即是其算力更強(qiáng)，新節(jié)點(diǎn)的新區(qū)塊的分叉很快就比舊節(jié)點(diǎn)的分叉長(zhǎng)了

對(duì)新節(jié)點(diǎn)而言，上下兩條鏈都是合法鏈，但因?yàn)橹粫?huì)去擴(kuò)展最長(zhǎng)合法鏈，所以還是會(huì)沿著上面的鏈往下挖。因?yàn)橹皇羌s束了大小不到4M就可以，新節(jié)點(diǎn)也可能挖出一些大小不到1M的區(qū)塊

這樣的區(qū)塊是新舊節(jié)點(diǎn)都承認(rèn)的，但上面這條鏈上有舊節(jié)點(diǎn)認(rèn)為不合法的區(qū)塊，所以舊節(jié)點(diǎn)始終不會(huì)去擴(kuò)展這條鏈，還是繼續(xù)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(jié)點(diǎn)不更新軟件，這樣的分叉就不會(huì)消失。比特幣網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)有部分很保守的人，像這樣的協(xié)議更新勢(shì)必會(huì)有一些節(jié)點(diǎn)不同意，產(chǎn)生硬分叉。

出現(xiàn)硬分叉之后，出現(xiàn)了兩條平行運(yùn)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(jiǎng)勵(lì)，對(duì)于認(rèn)可這條鏈為最長(zhǎng)合法鏈的節(jié)點(diǎn)而言是有效的，對(duì)認(rèn)可另一條鏈的則是無(wú)效的，而分裂之前產(chǎn)生的BTC則是在兩條鏈上都認(rèn)可的。從這個(gè)意義上來(lái)看，硬分叉可以認(rèn)為是產(chǎn)生了新的一種加密貨幣。

在硬分叉后設(shè)置chain ID，來(lái)標(biāo)識(shí)這兩條鏈為兩條獨(dú)立的鏈

軟分叉（soft fork）

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

假設(shè)對(duì)軟件進(jìn)行更新：使區(qū)塊大小變小，從1M變?yōu)?.5M。假設(shè)大多節(jié)點(diǎn)是新節(jié)點(diǎn)，即已經(jīng)更新了協(xié)議，區(qū)塊限制為0.5M；少部分節(jié)點(diǎn)是舊節(jié)點(diǎn)，仍然認(rèn)定區(qū)塊限制為1M。

這時(shí)，新節(jié)點(diǎn)挖出的區(qū)塊，舊節(jié)點(diǎn)會(huì)認(rèn)為是合法的（因?yàn)樵?M以內(nèi)）；但是舊節(jié)點(diǎn)挖出的區(qū)塊，新節(jié)點(diǎn)很可能不認(rèn)為是合法的（因?yàn)楹芸赡懿辉?.5M內(nèi)）：

因?yàn)樾鹿?jié)點(diǎn)占了大部分算力，所以很可能先挖到某個(gè)區(qū)塊，出現(xiàn)上圖的情況。這時(shí)舊節(jié)點(diǎn)觀察到上面那條是最長(zhǎng)合法鏈，就會(huì)放棄自己的分叉，接著上面的鏈繼續(xù)挖。

某個(gè)時(shí)刻，舊節(jié)點(diǎn)先于新節(jié)點(diǎn)挖出一個(gè)區(qū)塊，將其上鏈：

這個(gè)區(qū)塊大于0.5M，新節(jié)點(diǎn)不認(rèn)，會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展上一個(gè)合法的區(qū)塊。

所以在這種情況下，會(huì)持續(xù)出現(xiàn)軟分叉，只要舊節(jié)點(diǎn)不更新協(xié)議，挖出的區(qū)塊就一直無(wú)法上鏈。相比硬分叉，軟分叉即是非永久存在的分叉，只會(huì)臨時(shí)存在一段時(shí)間。

實(shí)際中情形

給某些目前協(xié)議中沒(méi)有規(guī)定的域增加新的含義

這種情況下即是當(dāng)前協(xié)議中未限制的一些域，被賦予了新的規(guī)則。一個(gè)例子就是鑄幣交易的CoinBase域，沒(méi)人規(guī)定也沒(méi)人檢查。前面學(xué)習(xí)挖礦難度時(shí)，提到這個(gè)域可以作為extra nonce來(lái)使用，比如拿出前8個(gè)字節(jié)來(lái)和nonce一起調(diào)整，以增大挖礦的搜索空間。

CoinBase即便拿出了前8個(gè)字節(jié)，后面還是有很長(zhǎng)的可調(diào)整空間。有人就提出將其作為UTXO（未花費(fèi)的交易輸出）的根哈希值，因?yàn)槟壳斑@個(gè)UTXO集合只是每個(gè)全節(jié)點(diǎn)自己在維護(hù)，目的就是快速查找，判斷交易合法性，這個(gè)集合的內(nèi)容沒(méi)有寫(xiě)到區(qū)塊鏈里。

Merkle proof可以證明某個(gè)交易存在于某個(gè)區(qū)塊中，那么如何證明某個(gè)賬戶A中有多少錢(qián)？全節(jié)點(diǎn)可以在本地的UTXO集合里算一下，即找到UTXO中所有轉(zhuǎn)賬給A的交易的輸出，加在一起。

但如果是輕節(jié)點(diǎn)呢？例如手機(jī)上的比特幣錢(qián)包。輕節(jié)點(diǎn)要去請(qǐng)求全節(jié)點(diǎn)，全節(jié)點(diǎn)返回結(jié)果給它，如何證明全節(jié)點(diǎn)返回給輕節(jié)點(diǎn)的是正確的呢？輕節(jié)點(diǎn)自己沒(méi)有維護(hù)一個(gè)UTXO集合，所以是證明不出來(lái)的。

因此有人提出將UTXO中的交易也組織成一個(gè)Merkle Tree，將其根哈希值寫(xiě)在鑄幣交易的CoinBase域里面，而鑄幣交易中的此內(nèi)容也會(huì)隨著影響交易的Merkle Tree的根哈希值，這在輕節(jié)點(diǎn)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(qián)，需要提供UTXO的Merkle Tree對(duì)應(yīng)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(kāi)始的比特幣系統(tǒng)中是沒(méi)有的，是后來(lái)通過(guò)軟分叉的方式加進(jìn)去的。

總結(jié)

硬分叉特點(diǎn)：只要系統(tǒng)中半數(shù)以上（算力）的節(jié)點(diǎn)更新了軟件，就不會(huì)出現(xiàn)永久性的分叉。這類分叉為軟分叉

軟分叉特點(diǎn)：必須系統(tǒng)中所有（算力）的節(jié)點(diǎn)都更新了軟件，才不會(huì)出現(xiàn)永久性的分叉。

參考資料

1、【區(qū)塊鏈學(xué)習(xí)筆記】10：比特幣系統(tǒng)中的分叉

總結(jié)

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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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