[北大肖臻-区块链技术与应用笔记]第八节课—

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[北大肖臻-区块链技术与应用笔记]第八节课——BTC 分叉

state fork

如果两个节点差不多同时挖到一个区块，这两个区块都是挂在当前的区块上的，不同节点先收到的区块不同，就会各自沿着先收到的区块往下扩展，这种时候就会出现临时性的分叉，称为state fork，即由于对区块链当前的状态有意见分歧而产生的分叉。

分叉攻击（forking attack）也属于state fork，只不过这种意见分歧是人为造成的，这种情况也称为deliberate fork。

protocol fork

要修改比特币协议需要软件升级，在去中心化的系统中，没办法要求所有的结点都升级软件

假设大部分节点升级了软件，少部分节点没有升级（可能是没来得及升级，也可能是不同意协议的修改），这种分叉称为protocol fork，即对比特币协议产生了分歧，使用不同版本的协议而产生的分叉。

在protocol fork中，根据对协议修改的内容的不同，又可以分为硬分叉和软分叉。

硬分叉（hard fork）

如果对比特币协议增加一些新的特性，扩展一些新的功能，这时候没有升级协议的那些结点是不认可这些新特性的，认为它们是非法的。

block size limit

硬分叉的一个例子就是比特币中的区块大小限制。

比特币限制每个区块不超过1M，这样算下来大约最多能容纳4000个交易。而平均10分钟产生一个区块，算下来大约平均每秒只能写入7个交易。

有的人就认为区块太小了，限制了交易上链的速度。

假设软件更新了，将区块大小的限制从1M提高到4M，假设大多节点更新了软件以支持这个协议。节点的“多数”和“少数”不是按照账户数目来算的，而是根据算力来算的，上面那句话是假设系统中拥有大多哈希算力的节点都更新了软件。

当系统运行起来。假设新节点挖出一个区块，这个区块是比较大的，但旧节点是不认可这个区块的，不会沿着这个区块继续往下挖，而是继续沿着之前的区块往下挖下一个区块。

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旧的节点不认可大的区块，小的区块新旧节点都认可。

假定大多节点都是新节点，即更新了软件支持新的协议，因为“大多数”即是其算力更强，新节点的新区块的分叉很快就比旧节点的分叉长了

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对新节点而言，上下两条链都是合法链，但因为只会去扩展最长合法链，所以还是会沿着上面的链往下挖。因为只是约束了大小不到4M就可以，新节点也可能挖出一些大小不到1M的区块

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这样的区块是新旧节点都承认的，但上面这条链上有旧节点认为不合法的区块，所以旧节点始终不会去扩展这条链，还是继续沿着下面这条链往下挖

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这样的分叉是永久性的，只要这些旧节点不更新软件，这样的分叉就不会消失。比特币网络中，会有部分很保守的人，像这样的协议更新势必会有一些节点不同意，产生硬分叉。

出现硬分叉之后，出现了两条平行运行的链，两条链上的BTC也是不相干的，各挖各的矿。在某条链上的出块奖励，对于认可这条链为最长合法链的节点而言是有效的，对认可另一条链的则是无效的，而分裂之前产生的BTC则是在两条链上都认可的。从这个意义上来看，硬分叉可以认为是产生了新的一种加密货币。

在硬分叉后设置chain ID，来标识这两条链为两条独立的链

软分叉（soft fork）

如果对比特币协议加了一些限制，使得原本某些合法的交易或区块，在限制后的新协议中变得不合法，那么形成的分叉是软分叉。

假设对软件进行更新：使区块大小变小，从1M变为0.5M。假设大多节点是新节点，即已经更新了协议，区块限制为0.5M；少部分节点是旧节点，仍然认定区块限制为1M。

这时，新节点挖出的区块，旧节点会认为是合法的（因为在1M以内）；但是旧节点挖出的区块，新节点很可能不认为是合法的（因为很可能不在0.5M内）：

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因为新节点占了大部分算力，所以很可能先挖到某个区块，出现上图的情况。这时旧节点观察到上面那条是最长合法链，就会放弃自己的分叉，接着上面的链继续挖。

某个时刻，旧节点先于新节点挖出一个区块，将其上链：

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这个区块大于0.5M，新节点不认，会继续扩展上一个合法的区块。

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所以在这种情况下，会持续出现软分叉，只要旧节点不更新协议，挖出的区块就一直无法上链。相比硬分叉，软分叉即是非永久存在的分叉，只会临时存在一段时间。

实际中情形

给某些目前协议中没有规定的域增加新的含义

这种情况下即是当前协议中未限制的一些域，被赋予了新的规则。一个例子就是铸币交易的CoinBase域，没人规定也没人检查。前面学习挖矿难度时，提到这个域可以作为extra nonce来使用，比如拿出前8个字节来和nonce一起调整，以增大挖矿的搜索空间。

CoinBase即便拿出了前8个字节，后面还是有很长的可调整空间。有人就提出将其作为UTXO（未花费的交易输出）的根哈希值，因为目前这个UTXO集合只是每个全节点自己在维护，目的就是快速查找，判断交易合法性，这个集合的内容没有写到区块链里。

Merkle proof可以证明某个交易存在于某个区块中，那么如何证明某个账户A中有多少钱？全节点可以在本地的UTXO集合里算一下，即找到UTXO中所有转账给A的交易的输出，加在一起。

但如果是轻节点呢？例如手机上的比特币钱包。轻节点要去请求全节点，全节点返回结果给它，如何证明全节点返回给轻节点的是正确的呢？轻节点自己没有维护一个UTXO集合，所以是证明不出来的。

因此有人提出将UTXO中的交易也组织成一个Merkle Tree，将其根哈希值写在铸币交易的CoinBase域里面，而铸币交易中的此内容也会随着影响交易的Merkle Tree的根哈希值，这在轻节点里是保存了的。所以在这种方式下就可以像Merkle proof的方式一样证明账户里有多少钱，需要提供UTXO的Merkle Tree对应位置的哈希。