Trias联合“北大软微-八分量协同创新实验室”定期举办技术沙龙。该实验室成立于2017年9月份，以可信计算、区块链等作为主要研究方向，致力于推动智能互联新时代下的人机互信问题的解决。
现在，我们会推出由实验室教授、博士生以及硕士生主笔撰写的系列文章。本期文章由北京大学的博士生辛武撰写。
在学术 | 分叉史上的三次重大事件一文中，我们简要概述了三次分叉事件，本文会对分叉的类别和原理做出简要的介绍，务求让没有经验的小白也完全看得懂。
一、区块链分叉概念
区块链的分叉需要从“系统升级”谈起，大家都知道区块链构建的是去中心化的系统，而我们传统的系统大都是中心化的系统。
对于中心化的系统，其升级比较简单，可分为：服务器升级和终端（客户端）升级。对于服务器升级来说，只要在后台部署好，即可一键升级；对于终端升级来说，可以选择在软件库或应用商店直接升级，终端版本的不一致并不会影响客户使用其服务。
对于去中心化的系统，其升级比较复杂。由于其没有中心机构，没有服务器，所以不存在服务器升级；对于终端升级来说，可以在各自社区中下载、安装，然后完成升级。这里需要注意的是：终端版本的不一致，可能影响客户使用其服务，最终导致其分叉。
区块链分叉就是指区块链在进行“升级”时发生了意见分歧，从而导致区块链分叉，即终端版本不一致。由于没有中心化机构，数字货币每次“代码升级”都需要获得社区的一致认可，如果社区无法达成一致，区块链就会形成分叉。
“升级”可能导致“共识机制”不同，共识机制可分为以下几种：
l 共识算法：NBFT/CFT：Paxos、Raft；BFT：PBFT、 POW、POX
l 区块大小：1MB、2MB、8MB、32MB、64MB
l 账户模型：UTXO、账户余额
l 挖矿难度：时间间隔、Hash函数
l 货币总量
l ……
二、区块链分叉分类
在区块链升级时或终端版本升级时，如果新版本和旧版本中的区块能够相互兼容，称为“软分叉”，不能相互兼容就称为“硬分叉”。
软分叉和硬分叉都“向后兼容”，这样才能保证新节点可以从头验证区块链。而软分叉还可以“向前兼容”，向前兼容是指旧版本的终端可以接受由新版本的终端所产生的区块，如下图所示：
旧版本 新版本 旧版本
三、比特币的最长链原则
在比特币挖矿中，存在2个矿工几乎同时解出题目或计算出Hash值的情况，即同时挖矿成功。在这种情况下2个矿工会形成2个区块，其数据一定不一样。接下来对这2个区块进行分析：
首先，这2个区块中记录的第一笔交易为：CoinBase交易（挖矿交易）。这笔交易没有转出地址，即没有任何人付给矿工这笔钱，这笔钱来自系统；矿工可以理所应当的记录自己获得了12.5比特币；所有节点都认可矿工这样记录，因此矿工就得到了挖矿收入。由于每个矿工只会把挖矿收入转入自己的地址，而每个矿工的地址不同，故2个区块中的第一条记录肯定不一样；
其次，这2个区块中打包的交易数据也不同。由于交易手续费不同，矿工都会优先打包手续费高的交易，当存在相同手续费的交易情况时，每个矿工的选择也会不同。
由于这2个矿工的区块数据都不一样，所以他们解题得出的结果也是不一样的，即计算出的Hash值不同，但都是正确答案，只是区块不同。于是，此时区块链中出现了两个都满足要求的不同区块。
那么，全体矿工这时该怎么办呢？
由于在区块链中网络广播的距离远近不同，不同的矿工接收到这2个区块是有先后顺序的。通常情况下，矿工们会把自己先看到的区块复制过来，然后接着在这个区块开始新的挖矿工作。出现了这样的情景：
以POW共识机制为例，从分叉的区块起，由于不同的矿工跟从了不同的区块，在分叉出来的两条不同链上，算力是有差别的。
由于算力和矿工的数量成正比，因此两条链的增长速度也是不一样的，在一段时间之后，总有一条链的长度要超过另一条。
矿工永远认为最长链是正确的。当矿工发现全网有一条更长的链时，他就会抛弃他当前的链，把新的更长的链全部复制回来，在这条链的基础上继续挖矿；所有矿工都这样操作，这条链就成为了主链。
如下图所示，分叉出来的链会被抛弃掉，之后会消失。在这个分叉过程中：所有矿工都遵从同样的机制，即“追随最长链原则”。
四、围绕区块链分叉的分析
根据前面区块链分叉场景的描述，区块链分叉有以下四种情况：
l 第一种：区块链内部机制——区块链产生孤块（软分叉）
数字货币正常记账因网络延迟等技术原因，可能出现了两个不同内容区块，当其中一个后面跟的区块更多时，另一个区块及跟随的短链就会被抛弃变成“孤块”，这也就是所谓“追随最长链原则”
l 第二种：终端版本升级——软分叉
软分叉是指旧的节点并不会意识到区块链代码发生改变，并继续接受由新节点创造的区块。矿工们可能完全没意识到区块链已经分叉了。
l 第三种：终端版本升级——硬分叉
硬分叉升级时要求大家都更换到新版本，如果有人还用旧版本，就会产生两个相互不承认的分叉链，这时“最长链原则”无效了。但旧版本出的块往往没有交易所支持，区块奖励一文不值，所以用旧版本的人发现没人跟随他出块，就会找原因，发现新版本就会立刻更新版本，旧版本的链就消失了。
l 第四种：社区、链、币的分裂——永久分叉（硬分叉）
如果两个不兼容的版本不是因为意外而并存，而是因为各有一些人支持不同版本的特征，坚决反对另一个版本的特征。
两个版本就一直有人支持同时运行，互相不接受包含了对方版本特征的链。记出来的区块链就永久分成了两个链，链上记载的币就分成了两种，社区也分裂成两个社区。
五、总结
“区块链分叉”会消失的情况：
l 第一种：区块链内部机制——区块链产生孤块（软分叉）
l 第二种：终端版本升级——软分叉
l 第三种：终端版本升级——硬分叉
“区块链分叉”不会消失的情况
l 第四种：社区、链、币的分裂——永久分叉（硬分叉）
对于不会消失的“区块链分叉”，即永久分叉，并非技术问题，而是一个涉及人性和利益的问题，目前看来，似乎难以解决。
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