什么是区块链“分叉”？

在前面的文章《什么是“挖矿”？比特币“挖矿”原理解析》中，介绍了什么是挖矿，以及挖矿的原理，本文主要围绕着挖矿的过程产生的区块链的“分叉”现象，做个系统的介绍。

在介绍：什么是区块链“分叉”之前，先介绍下，比特币的交易打包过程以及底层的实现原理，见章节 2.

比特币“交易打包”底层原理

“挖矿”与“交易打包”

前文我们说到，所谓“挖矿”，就是生成一个最新“区块”的过程，“矿工”在该过程中，是为了获取比特币的奖励（经济驱动）；

这部分奖励分为两部分：比特币网络系统的 CoinBase 奖励 和 所打包的所有交易的交易费（交易费的作用下文会介绍）；

那么，交易打包的过程和底层原理是什么呢？下文我们将图文展示整个交易打包的细节；

“交易打包”过程？

每个比特币客户端节点自加入比特币网络开始，无时不刻不在做着创造新区块的操作；

而创造新区块的过程，即是打包每一笔“比特币交易”的过程；

下图是站在“比特币客户端节点”的角度，来描述一次区块生成过程中的交易打包过程。

每一步的详细说明

步骤 1）

监听比特币网络中的其他所有节点的广播，最新区块是否被 Relayed（中继，转发）；

如果没有，则继续手头的“挖矿”步骤：接受新比特币交易，并验证该笔交易，无论验证结果，中继转发该交易到其他节点；

如果有，则意味着本次的“挖矿”失败，并保留清理现场，结束本次挖矿，立即开始新的“挖矿”步骤；（基于理性的考虑，矿工会在上一次区块验证之后，立马开始下一个区块的创建，目的是为了获得更多的比特币 coinBase 奖励）

步骤 2）

将步骤 1 中被验证成功的交易放入本地内存交易池中（Local Memory Tx Pool，交易池是存储在本地内存中，并不是存储在硬盘里，因此不同节点的两池内容可能有很大差别。）;

如果在此过程中，监听到新区块被 Relayed，则该节点将已打包的交易放回到本地内存交易池中，并且需将新区块中的对应交易，从本地内存交易池中剔除；

原则是：要保证任何在本地内存交易池中的交易均是未确认的。（比特币交易频率是有限制的，原因是区块大小限制，所以会导致内存交易池中的交易有堆积，详见 PS2）

PS2：最理想状态下，平均每笔交易 225 字节。在 1M 区块限制下，一般平均 10 分钟可以打包大约 4400 笔交易。每秒大约 7.3 笔交易，实际交易平均大小是这个的一倍，那么容量减半，也就是每秒大约 3.6 笔交易。

步骤 3）

按照“交易权重”将权重从高到低（交易的权重计算规则见 PS1），挨个打包进入到区块体中；优先处理权重最高的交易；

（所以，我们在使用交易软件比如 ImToken 时候，偶尔会出现如下提醒:“当前网路交易拥堵，建议提高交易费用”，正是因为按照优先级处理，所以在网络交易拥堵的时候，有可能造成低优先级的交易“永远”不会被打包）

PS1：交易的权重大小取决于三个因素：1）交易创建时间越早；2）交易 UTXO 大小越大；3）交易费用越高，则权重越大。

步骤 4）

填充区块头字段值，创建区块头信息，先装入 block meta 信息，然后是交易数据，Nonce 值设为 0；

PS:具体的区块结构见《比特币的“区块”中藏有什么秘密：区块链区块结构解析》

步骤 5）

穷举 Nonce(从 0 开始)，计算 Hash 值是否<=targetHash;

如果本次所得的哈希值<=target，则“挖矿”成功；反之，Nonce+1，重复计算过程；

步骤 6）

接步骤 5）如果挖矿成功，则开始向相邻比特币客户端节点传播；

经过相邻节点的接受和验证确认之后，相邻节点会尝试将该区块链接到本地的最长链之后，主链高度加一，然后切换至新 block 后面继续挖矿，重复上述步骤 1）。

以上，即是交易的打包过程。

续谈“挖矿”，那么不同的“节点”同时广播“宣布”挖到最新区块的情况，会发生什么呢？

区块链“分叉”的产生“&”BestChain 选择准则

“分叉”现象的产生

非人为“分叉”的产生原因

在《什么是“挖矿”？比特币“挖矿”原理解析》一文中，我们讲述了“挖矿”的底层原理，由此我们知道，所谓“挖矿”，是计算一个 HASH 值<=TargetHash 的过程；

而符合计算规则的结果 Hash 有很多个，所以会出现同时好多个“矿工”同一时段（考虑到网络延迟）宣布“挖矿”成功；

所以，同一区块高度会出现多个区块的时候，由此就产生了区块链的 Fork,也就是“分叉”现象。（插一句，这就是为什么中本聪要规定均值 10 分钟产生一个区块，为的就是降低碰撞的频次，减少 fork 次数）；

人为“分叉”的产生原因

这种人为分叉，要从区块链的共识机制说起。

区块链是由点对点的去中心化节点共同维护的，区块链的有序运转靠的就是大家的共识；

即对于哪些交易是可以接受的、哪些节点具有记账权等关键事宜，有一套公认的标准。

这套标准是部署在区块链底层协议中自动化执行的。

当不同节点运行的底层标准（即客户端软件版本不一致）不一致的时候，人为分叉自然而然就产生了。

PS：为什么会出现不同的客户端软件版本不一致呢？主要原因有以下几种

1）利益原因：不同的矿工因为利益关系，矿工个体本身有选择性的接受或者不接受新的升级版本

2）时延原因：不可能所有的客户端在同一时刻同时升级，即使所有节点都同意升级并立刻升级，也会有时延

3）区块链网络节点可自由动态加入或者离线，离线的那部分节点会感知不到升级，等再次入局升级的时候，这中间会有一段时间。

4）等

“分叉”之后，最佳链（bestChain）的选择准则？

那么，要保证区块链的 MainChain 唯一性，当出现多处分叉的时候，该用什么准则去选择最佳链（select the bestChain as mainChain）呢？

1）如果不同分支的区块高度不同，那么选择最长区块高度的分支为 MainChain（在 POW 共识机制下，最长工作量代表着最权威的说服力）；

2）如果高度一致，则选择难度系数最大的分支为 MainChain（在 POW 共识机制下，difficulty 越大，则说明该区块被创造所需要的工作量越大，则权威说服力越大）；

3）区块高度如果相同，并且难度系数也一样，那么选择接受时间最早的那个分支为 MainChain；

4）若所有的评判系数均相同，则等待各自某分支的区块高度+1 之后，重新重复上述 1~3 步骤选择出一个 BestChain。

区块链“分叉”种类之“软硬分叉”

上述 3.2 章节中，描述的“分叉”是比特币网络正常运行出现的“分叉”，是非人为干扰的系统“自分叉”，系统的筛选逻辑可解决该种分叉；

所以，也会存在人为“分叉”，人为“分叉”分为：软分叉和硬分叉；

什么是“硬分叉”？

“A hardfork is a change to the bitcoin protocol that makes previously invalid blocks/transactions valid, and therefore requires all users to upgrade.Any alteration to bitcoin which changes the block structure (including block hash), difficulty rules, or increases the set of valid transactions is a hardfork.”

                                                                                                                                     ---《BitcoinWiki # Hardfork》

大概总结下，意思是说：硬分叉指的是改变了比特币底层协议，使得之前被验证无效的区块变得有效，而为了保持兼容性，会强制要求所有节点都更新协议版本至最新。（一句话就是：凡是霸王手段耍流氓式的要求所有节点必须升级，否则运行机制不兼容影响新生成区块和交易验证的分叉都是硬分叉）

什么是“软分叉”？“软分叉”真的“软”吗？

“A softfork is a change to the bitcoin protocol wherein only previously valid blocks/transactions are made invalid.Since old nodes will recognize the new blocks as valid, a softfork is backward-compatible. .”

                                                                                                                                     ---《BitcoinWiki # Softfork》

大概总结下，意思是说：软分叉指的是虽然改变了比特币底层协议，但是只会使之前被验证有效的区块变的无效，而且即使节点不升级（虽然官方 WIKI 是这么描述的，但是是有具体的实施机制的，下文中会详细说明，暂不提），也不会影响新生成区块和交易被验证接受。软分叉是“向后兼容”的。

新的交易类型可以以软分叉的方式被无缝加入到区块链网络中，只需要交易的参与者（sender 和 receiver）和矿工节点能辨识交易类型内容即可。至于其他 older 客户端节点，把新的交易类型的交易当做“pay 2 anybody”即可，无需关注交易细节的真实含义。

比如：比特币比较出名的升级（版本 2 升级到版本 3）

1）加入了新的交易类型：Segregated Witness（隔离见证，主要是为了区块扩容和交易延展性） 代号 SegWit。

SegWit 交易模式下，区块头中增加一个新字段“witness”，使得在非硬分叉方式下，进行了技术扩容。

所谓技术扩容，意思是物理大小并没有扩容，而是通过交易信息和验证信息的分离，使得当部分数据被移除后，就为更多的交易腾出了空间；

这样一来整个比特币网络的交易吞吐量也随之提高，变相达到区块扩容的效果。

2）加入了新的交易类型：Pay to script hash (P2SH)

在 P2SH 之前，只允许交易的接收者地址为公钥地址（Public Key Hash Address,以 1 开头的 Hash 地址）;

在 P2SH 之后，允许交易的接收者地址为脚本地址（Script Hash Address，以 3 开头的 Hash 地址），允许了多重签名。

“软分叉”的分类

软分叉分为两类：

1）miner-activated softfork (MASF)

大部分的矿工节点升级了新版本，激活了新协议，这种软分叉被称为“MASF”；

2）user-activated softfork (UASF)

全部节点（Full Nodes）都升级了新版本，激活了新协议，这种软分叉被称为“UASF”；

“软分叉”真的“软”吗？

（个人理解）虽然“软分叉”向后兼容，但是不代表“软分叉”真的很软。只不过是可以暂时不升级也不影响新区块被介绍和验证，但是迟早是需要升级的。下文讲详细介绍软分叉的升级更新机制（Mechanism）。

“硬分叉”很流氓，没什么需要细说的，下面详细介绍下比特币软分叉的实施机制

以比特币版本 2 升级到版本 3 为例：

背景介绍：

版本 2 与版本 3 的区别：BIP66，即限定签名的 DER 编码，不再接受 DER 派生编码，只接受 DER 标准编码；

BIP66 生效方法：最近 1000 个区块中有 750 个区块的版本为 3，则该规则生效；

基本准则，最新生成的 1000 个区块中，计算版本 3 的区块的占比，程序自动来控制是否向后兼容版本 2；

(1)当[0-75%)的区块采用了新版本 3，则兼容 2 和 3 版本；

(2)当>=75%的区块采用了版本 3，则开始启用 BIP66，但同时兼容版本 2;

(3)当>=95%的区块采用了版本 3，则不再兼容版本 2，只允许版本 3 的存在。

以上即是本次有关区块链分叉的介绍，欢迎 Diss 讨论~

作者介绍：

唐堂，平台技术中心百川研发部，15 年 11 月入职链家网，任职高级 JAVA 研发工程师，热衷于区块链底层技术研究。

本文转载自公众号贝壳产品技术（ID：gh_9afeb423f390）。

原文链接：

https://mp.weixin.qq.com/s/GHgJRVkU3hsrSLy-Rhviwg