比特币的分叉

一、分叉概述

比特币的区块链分叉有两种：状态分叉和协议分叉。

1. 状态分叉（state fork）

比特币系统每个节点都可以出块，如果有两个以上节点同时出块，或者在短时间内相继出块，那么就会出现状态分叉，状态分叉一般是临时性分叉，随着时间流逝，总会有一条链胜出成为最长合法链，其他分叉将会成为孤块，挖出这些区块的节点不会获得任何奖励。

分叉攻击（forking attack）：
分叉攻击也属于状态分叉，恶意节点不接在最长合法链上的最新区块后面继续挖矿，而是接在之前的某一个区块后面出块，继而产生分叉，如果这条分叉的长度赶上最长合法链，分叉将成为最长合法链，这条链上的交易将被共识为合法交易，而被分叉的原先最长合法链的上的交易将全部失效。一般认为，需要占据全网51%的算力，分叉攻击的成功概率较高。

2. 协议分叉（protocol fork）

协议分叉指的是节点间对比特币协议意见不一致，不同协议可能会对区块的合法性产生不同的认定。协议分叉可分为硬分叉和软分叉，它们对比特币社区也会产生不同的影响。

• 硬分叉（hard fork）
  旧节点不认可新节点的协议，必须所有节点更新为同一协议，才不会永久分叉。
• 软分叉（soft fork）
  旧节点认可新节点的协议，只要系统中半数以上节点更新为新协议，就不会永久分叉。

下面将分别举例解释硬分叉和软分叉

二、硬分叉（hard fork）

比特币区块大小限制在1MB字节以内，每笔交易大概是250字节，可算出一个区块大约4000笔交易，推导过程如下：
$\frac{1000, 000字节}{250字节}=4000笔交易$
大约平均每隔10min产生一个区块，可算出因此比特币的吞吐量大约是7tps，推导过程如下：
$\frac{4000笔}{10×60秒}=7笔/秒$
由上可知，区块的大小是限制比特币吞吐量的一个重要因素，因此有人提议通过增大区块来提高吞吐量，这就会造成硬分叉。

如果大部分节点（51%算力以上）认可这项提议，更新软件去认可4MB字节的区块，并在新协议下产生了最长合法链，这时只要存在一部分节点不更新软件，将1MB字节以上的区块认定为非法区块，1MB字节协议的节点将会分叉为另一条链，这就导致了永久分叉，继而引起比特币社区的分裂。如下图所示：

分叉造成社区分裂，两条链将各自运营，但是引发一个新问题，分叉之前的交易输出在两条链上都是可以花费的，如果付款人在一条链上将一笔交易输出付给收款人，收款人可以将该条链上的这笔交易重放到另一条链，签名、交易来源在另一条链上也是完全有效的，所以收款人可以轻易在两条链上都获取一笔资金。

以太坊之前因为硬分叉分裂为ETC和ETH两个社区，后来在交易中加入了chainID字段，以便识别某一条交易属于哪条链，在另一条链上重放后就会被认为是无效交易。

三、软分叉（soft fork）

相反地，我们以区块大小减小为0.5MB字节为例（实际上缩小区块没有任何好处），如果大部分节点（51%算力以上）认可这项提议，更新软件只认可0.5MB字节以内的区块，超过0.5MB字节的则认定为非法区块，这时0.5MB字节协议的节点将形成最长合法链。未更新软件的1MB节点同样认为0.5MB的新区快为合法区块，也会接在这条最长合法链上挖矿产生区块，所以不会分叉为新的链。

但是由于更新软件的节点不认可1MB字节的区块，最长合法链上永远不会有1MB字节的区块，它们将成为孤块，所以未更新软件的节点相当于白白地付出算力，得不到任何区块奖励。如下图所示：

只要是给目前协议中没有规定的域赋予新的含义，都是软分叉，例如：

• 目前coinbase中前8字节没有任何特殊含义，一般用作额外nonce值，曾有人提议将UTXO组成Merkle tree，根哈希写到coinbase域，为更新的旧节点对该域没有任何检查，如果该域被新节点修改为根哈希，旧节点仍然认可这个交易，不会独立成链，因此这种更新也可以认为是软分叉。
• P2SH在比特币最初版本中没有出现，后期通过软分叉更新加入。旧节点只验证第一阶段，也就是验证哈希是否吻合，因此旧节点是认可带有P2SH的交易的，不会独立成链，而新节点则还会进行第二阶段的反序列化脚本验证，只要大部分节点（51%算力以上）加入P2SH特性，那么就可以认为比特币系统更新版本成功了。