北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课笔记(十)：BTC分叉

本节介绍比特币系统中的分叉(fork)

分叉指的是，原来的系统中为一条链，但分成了两条链。分叉形成的原因可能有多种，例如：挖矿时两个节点差不多同时挖出矿，都会发布区块(对比特币系统当前状态产生分歧导致的分叉——state fork)；分叉攻击，同样也会导致分叉(forking attack，人为故意造成)；比特币协议改变，在分布式系统中不能保证所有节点同时升级软件，假设存在少数节点未升级，导致出现分叉(protocal fork)；

根据对比特币协议修改的不同，可以将分叉分为硬分叉和软分叉。本篇便专门介绍比特币系统中的分叉。

硬分叉(hard fork)

什么情况会出现硬分叉？
对比特币协议增加新协议，扩展新功能，只是拓展，未更新的节点认为更新了之后节点发布的区块为非法区块。未升级软件的旧节点会不认可这些修改，会认为这些特性是非法的。这也就是对比特币协议内容产生分歧，从而导致分叉。硬分叉的一个典型例子，就是对比特币区块大小的修改（之前有提到过，BTC区块大小限制1MB，但是否合适存在争议）。

在BTC系统中，区块大小最大为1MB，可以包含的交易最大数量为4000笔左右(每个交易大概250字节)。而一个区块产生大概需要10min左右，也就是说，整个比特币系统，平均每10分钟最多只能处理4000笔交易(平均每秒7笔交易)，相比目前银行等金融机构每秒数十万数百万的交易量来说，根本不在一个数量级上，严重影响吞吐率和交易处理(即上链)时间(因为交易太多，无法写入只能等待下一个区块)。
所以，有人便认为可以增大区块大小，使得一个区块中可以包含的交易数量增多，在此，我们假设将区块大小从1MB增大至4MB。

假设系统中大多数节点更新了软件，少数节点仍然遵从1MB限制的协议(注意，这里大多数和少数是按照算力来区分的，和账户数量无关)。即：新节点认为区块大小最大4MB，旧节点认为区块大小最大1MB，且新节点占据大多数。

我们看图，大部分更新了软件的节点认为上面分叉的大区块是合法的，而没有更新软件的旧节点认为上面链是非法的，会自己沿着下面一条链挖。这时虽然新节点认为也是合法的，但是由于大部分算力更新了软件，上面的链更容易成为最长合法链。这时候就会产生硬分叉，分叉是永久存在的，只要旧节点不更新软件，分叉就一直存在，形势变成两边人各挖各的。

1.BTC社区中有些人很保守，不愿意加大区块大小 2.区块大小并非越大越好，在网络篇中提到，比特币网络传输为”尽力而为”，区块加大会造成传输变慢等问题。 3.单纯增加区块大小，对交易数量的增加远不能达到数量级的提升。

出现hard fork后，变成了两条平行的链，也就造成了社区分裂。社区中有一部分人，会认为下面的链才是”正统“，各个链上的货币独立。

实际上，这个事情真正出现过。后续会介绍以太坊，以太坊历史上的一件大事就是硬分叉事件。以太坊称为ETH，但目前看到的ETH已经不是最初的ETH了，以太坊在历史上发生过硬分叉，另一个链称为ETC。实际上，ETC才是以太坊设计原本的协议，而ETH是黑客攻击ETH上一个智能合约THE DAO后进行回滚的协议链(将黑客攻击偷取的以太币采用硬分叉方式回滚回到另一智能合约，然后退还给真正拥有者)。
但是这次硬分叉的后果，由于有人不愿意这么做，造成了以太坊社区的分裂。实际上，虽然ETC不如ETH又名，但实际它也是目前一种主流货币。

硬分叉后其实会发生一个币变成两个币这种情况，因为上下两个链都认为之前的交易是合法的，分叉之前的一个币在分叉中都可以使用，就导致了一个币变成两个币使用。分叉之初，由于两个链分叉造成了互相影响，产生了很多麻烦。比如：在ETH链上有一笔转账B->C，有人便在ETC链上回放(就是把ETH订单的输入输出复制一份，在ETC上重现)，将ETC链上的货币页转给了C(C收到两笔钱)。后来，对两条链各添加了一个chainID，将两个链区分开，才使得这两条链真正分开。

软分叉（soft fork）

如果对BTC协议添加限制，使得原本合法交易在新交易中不合法，便会形成软分叉。

同样，有人想将区块大小调大，也就会有人思考调小的好处。在这里，我们假设将区块大小从1MB减小至0.5MB(实际中，1MB已经足够小，不会调小了).

注意：区块链中区块大小调整并非简单修改一个参数，调改大小便很有可能会引发分叉，由于参数修改方式不同，有可能会是硬分叉，也有可能是软分叉。

假设系统中大多数节点更新了软件，少数节点仍然遵从1MB限制的协议(注意，这里大多数和少数是按照算力来区分的，和账户数量无关)。即：新节点认为区块大小最大0.5MB，旧节点认为区块大小最大1MB，且新节点占据大多数。

这样新节点不认下方的大区块，都会按照上方挖，而旧节点认为两个都合法，导致出现一个新的区块，如果他没有挖出矿，他会放弃当前进度，跟着新节点挖(下方分叉)；甚至可能他是最先挖出来的节点，但是由于新节点认为他挖的区块是非法的(右上角)，这样他永远不会有出块奖励，除非他更新软件。

软分叉不会导致系统出现永久性分叉，软分叉只会是临时性的

系统中可能出现软分叉的情况

给某些目前协议中未规定的域赋予新的含义或规则。

最经典的就是，铸币交易中CoinBase域。在CoinBase域中写入任何内容都可以，没有任何规定。之前，在介绍挖矿时，提到挖矿本质是调整block header中的nonce，但其本身只有4个字节，搜索空间太小。所以实际使用中，将CoinBase域前8个自己作为另一个extra nonce，此时搜索空间从原本2^32 增长到2^96，对于目前挖矿难度来说已经足够。

但CoinBase中并不是只有8个字节，还剩下很多空间。有人便提出将其作为UTXO(当前还没花掉的交易结合，)集合的根哈希值。目前UTXO是全节点自己在本地为了方便查询自行维护的，但UTXO内容并未写入区块链（还记得Merkle proof吗？Merkle proof用于验证某个交易是否在区块中，Merkle proof的交易信息是写入区块链的。）

由于UTXO存在本地，如果查询某账户余额，轻节点便需要询问全节点，全节点根据UTXO中信息可以计算得到账户余额，但如何确保全节点给的数据可信？由于直接修改block header会造成硬分叉，有人便提出了以上的方案(该域刚好无人用)。

可以看到，旧节点认可新节点的区块，但新节点对于旧节点CoinBase域检查时候，发行并没有这个UTXO的根哈希值，不会认可其发布的区块，所以这是软分叉。