January 17, 2020

重新创造比特币20:分叉之重组与分裂

作者：何岩，由 recreating.org发行。

0.前言 #

迄今为止，Bitcoin系统的所有技术概念都已经出场。

本篇我们来看看系统运行过程中的一个现象，即分叉。

Bitcoin系统的核心精神就是竞争。

竞争的表象就是分叉。

1.分叉 #

咖啡馆，中本聪和Gilfoyle围坐在显示屏前，一行行的文字快速滚动着，就像黑客帝国里的场景。

Bitcoin系统日志

天书一般的日志，在中本聪和Gilfoyle看来却犹如一部大片，Bitcoin网络好似一个原始的动物战场，矿工之间进行着力量角逐，微观的混乱中蕴含着整体的秩序。

最原始的力量竞争

算力就是蛮力，谁的算力大，谁就获得区块奖励。

这样的竞争毫无门槛，规则公开，任何人都可以参与，只要你愿意付出成本（电费）。

大多数时间里，节点之间都在各自挖矿，大家相安无事。

可是一旦网络中同时出现两个区块广播，这就会上演短兵相接的较量。系统中的所有节点都会被卷入，每个节点都要表态，选择跟随哪个区块，选择错了，自己的利益就会受损，记账网络分成两派，这就是所谓的分叉。

好戏就这么开始了：

目前，网络中的最新区块为五角星，这是三爷（节点3）在上一轮挖出的区块。（见下图）

记账网络的和平时期

新的一轮挖矿开始，小男孩和牛头人几乎同时得出随机数。

小男挖出的新区块为三角形（绿色），牛头人挖出的新区块为菱形（蓝色）。（见下图）

短兵相接

这时候其它节点的难题来了，要在这俩个新区块中做出选择。

选择的方式就是“跟随”，即，基于此区块来挖掘自己的下一轮新区块。

网络暂时形成了两个阵营，这种状态就称之为：分叉（forks）。（见下图）

天下大势，分久必合，合久必分。

2.重组 #

此时，系统虽然分叉，但是不影响用户使用。

无论客户端连接到哪派，业务处理都一样。

交易写入，两派节点都会写入到交易内存池。

交易查询，两派节点都会返回同样的结果。（内存池＋区块，两派相同）
系统是否分叉，用户是感知不到的。

这就好比，美国的总统竞选期间，国会依旧照常办公。

两派的竞争的结果取决于谁呢？

答案是取决于下一轮挖出新区块的节点。

小红帽率先挖矿出新一轮区块：红桃。（见下图）

小红帽广播最新区块红桃

所有节点都同步红桃。

由于小红帽在上一轮“跟随”了小男孩的绿色三角，其它节点接受了红桃，也就意味着同时接受了绿色三角。

这样一来，上一轮的胜者便是小男孩。

此时，系统由分叉恢复为合一，我们将这一过程称之为：重组（Reorg）（见下图）

重组：由分叉回归合一

之前牛头人的蓝色菱形区块成了一个被遗弃的区块，即，孤块。

Gilfoyle问到：“孤块的存在是否是一个缺陷？”

中本聪反问：“你为什么会这么想？”

Gilfoyle答：“因为这会让牛头人有一种挫败感，打击了挖矿积极性。更重要的是系统时不时就呈现出分叉状态，给人一种系统不是很稳定的感觉。”

中本聪说：“我理解了，你是在表达，一个完美的系统不应该存在冗余。孤块就是冗余，孤块代表着竞争的失败。在我看来，你的这种理解是源自典型的精确系统世界观，即一切运行都要最高效，没有意外，没有多余损耗，一切都要可计划，可控制，可设计。”

Gilfoyle说：“的确是这样。”

中本聪说：“而站在复杂系统的世界观来看，孤块的存在不仅不是缺陷，反而是精髓之处。有成功有失败，这才符合大自然的进化机制。失败意味着什么？失败意味着你还不够好：You are not good。只有失败才能让节点们反思，反思才能改变，改变就是进化。在我看来，孤块不是缺陷，而是像炼钢时，铁中故意加入的杂质，无杂质不成钢。”

“比特币本身不是一个纯粹的系统；它自带着很多绝大多数数学家和计算机科学家看做是缺陷的性质。而这些“缺陷”正是比特币强大的内因。” － Craig Wright

铁与钢

牛头人经过反思，发现不只是算力不够，其它方面也在影响着挖矿：

1.区块的验证速度要加快：新一轮挖矿的开始，开始于同步区块验证的完毕。

2.构建区块的容量要加大：大区块等于更多手续费，强者都会构建大区块，跟随强者，构建大区块。

3.网络传输速度要加快：挖矿的意义不是发掘区块；而是让你发掘的区块能够传递到所有其他的挖矿者那里去。所以网络的传输速度也很重要。
经过权衡，牛头人发现，均衡的提升基础设施的建设更加划算。
改善完区块验证和区块构建的代码，又升级了自己和邻居节点的网络。

经过验证，牛头人惊喜的发现做对了，后面再与小男孩的短兵相接，都赢了。

小男孩失败之后，也走上同样的道路，升级基础设施。

能够主动改变的节点都是强者，强者和强者链接会越来越紧密，组成了Bitcoin的神经中枢，我们称之为：小世界网络。

小世界模型

小世界让Bitcoin系统更加高效健壮。

小世界网络不是垄断，而是开放。

“到底一个市场是竞争的还是垄断的，不能简单地数那些市场上已经出现的正在经营者的竞争者的数量，而应该去看那些潜在的竞争者，看他们进入市场到底会不会遇到人为设置的行政障碍。只要存在这个障碍，那么不论市场上现有的竞争者有多少，这都是一个封闭的市场，一个垄断的市场，一个缺乏竞争的市场；如果没有这样的限制，人们可以随意进出，那不管看得见的竞争者数目是多少，它都是一个充分竞争的市场" — 薛兆丰

3.双花攻击与算力守护 #

黄鼠狼想要喝咖啡，便构建了一笔交易，将自己的一条30Bitcoin的UTXO指向了老板Bob的公钥，老板Bob通过客户端查到30Bitcoin已经到账，将咖啡给了黄鼠狼。（见下图）

黄鼠狼构建的第一笔交易数据

黄鼠狼拿到咖啡后就开始使坏，想要白喝。

于是又构建了一笔交易，将上一笔中已经花掉的那30Bitcoin的UTXO又一次的指向了自己的公钥地址。

一笔UTXO被重复引用两次，这就是所谓的双花。（见下图）

一笔UTXO被两笔交易引用，就是双花

正常情况下，记账网络会根据先见为真原则，采用第一笔交易，抛弃第二笔交易。

但是，黄鼠狼临时加大算力，挖出了一个与众不同的新区块：采用第二笔交易，抛弃第一笔交易。

广播区块，记账网络同步完毕，双花成功！黄鼠狼一脸幸灾乐祸。

老板Bob一看黄鼠狼的表情，觉得不对劲，再一查客户端，之前的30Bitcoin消失了。

当前网络区块链如下（见下图）

最新区块为黄鼠狼挖出的

我们可以看到，黄鼠狼挖出的是最新的区块，高度为2001。

难道Bitcoin系统如此脆弱吗？一次算力攻击，就可以双花作恶。

当然不会，黄鼠狼还没高兴超过2分钟，记账网络忽然出现了一个高度同样为2001的竞争区块。

此时，记账网络进入分叉状态。（见下图）

忽然出现竞争区块

原来这个竞争区块是小男孩挖出来的，小男孩验证黄鼠狼的区块发现里面存在双花数据，认定黄鼠狼在作恶，拒绝同步黄鼠狼的区块，而继续挖掘自己的区块，1分钟之后将挖出的区块广播到网络中。

这时候网络中同时存在两个区块，其它节点如何选择呢？

大多数节点，都会选择小男孩的区块，因为在区块验证环节，大家都会发现黄鼠狼的区块中有双花交易。

少数刚刚加入的节点，会选择黄鼠狼的区块，因为新加入的节点，没有历史交易数据，无法判断黄鼠狼和小男孩谁的区块中是双花交易，所以只能依照先见即真原则，选择跟随黄鼠狼。

黄鼠狼这时候很着急，眼看着自己的战果就要作废，立即投入更多的算力，在区块高度2002挖出了新区块。黄鼠狼心想，这下我的双花区块该站稳了吧（见下图）

黄鼠狼挖出了最新区块

对于新节点来说，因为无法分辨谁作恶，的确会选择同步黄鼠狼的这支作恶链。

但是对于大多数诚实节点，大家依旧抛弃了黄鼠狼的新区块，选择继续在上面的诚实链上继续“跟随”。

经过几轮较量，大多数诚实节点的算力之和大于黄鼠狼的算力，所以上面那条诚实链会最终超出下面那条作恶链。（见下图）

算力大者获胜

这时候，之前不明真相的新节点，会根据“跟随”最长链的原则，改为“跟随”上面的诚实链。

只要黄鼠狼的算力没有超过整体的51%，作恶链就迟早会被重组，曾经挖出的区块都会变成孤块。

黄鼠狼心想：“为了一杯咖啡，损失这么多算力，我难道是个2B吗？”

双花攻击，只能针对攻击者自己的UTXO，对其它用户的交易记录没有影响，因为攻击者无法构建出其它用户UTXO的解锁脚本。

即便系统由于双花攻击，暂时分叉，也不影响其它用户的正常使用。

只会对被双花攻击老板Bob有短暂的影响。

等到系统重组之后，诚实链战胜作恶链，老板Bob的余额又会恢复正常。

诚实的节点们，一直在用自己的算力，守护着系统的公正。

所以说，Bitcoin系统不担心短暂的算力攻击，哪怕邪恶算力超过51%，只要邪恶算力一撤，邪恶链还是会被诚实链重组。

这就好比，独裁者一倒，国家还是会恢复民主自治。

4.分裂 #

黄鼠狼死性不改，买了很多节点，算力超过了整体的51%。

新挖出的区块中，将区块奖励改成了5000Bitcoin。黄鼠狼心想，做一把大恶，赚个5000Bitcoin，交易卖掉，赚一笔就跑。

系统再次分叉，这一次黄鼠狼的邪恶链持续成为最长链。

可是，和预期不同，系统没有发生重组，系统分裂了。（见下图）

分叉不在重组即为分裂

这是为什么？

因为，改变区块奖励本质上是改变了游戏规则，改变了游戏规则，就不在是公平竞争，而是将一个游戏，分裂成了两个不同游戏。

这就好比，足球游戏分裂成了美式足球（football）和英式足球（soccer）。

分叉可以合一则为重组，分叉不再合一则为分裂。

所以，黄鼠狼等于是自己又发明了一个新系统:Shitcoin。

交易所只能兑换原始的Bitcoin系统，并不认可这个Shitcoin。（但是，真实世界中的交易所确装满了Shitcoin。真是一个不完美的世界。)

黄鼠狼又失算了：“Bitcoin系统这么强悍吗？”

5.白皮书：一个人要懂得多少的复杂，才可以创造出简单。 #

中本聪说：“这下我可以安心的将Bitcoin交给全世界了”

随后，中本聪以Bitcoin的0.1版本作为协议基础，写成了Bitcoin的白皮书《比特币:一个点对点的电子现金系统》（Bitcoin a peer-to-peer electronic cash system）

并强调协议不变（set in stone）：“一旦0.1版本发布，核心设计在其整个生命周期中都是一成不变的。”

6.更改域名bitcoinsv.com #

很多年以后，黄鼠狼竟然丧心病狂的黑掉了中本聪的电脑，偷到了www.bitcoin.org域名的控制权。

并将www.bitcoin.org指向了自己分裂出来的Shitcoin。
中本聪只好注册新域名：www.bitcoinsv.com，并指向真正的Bitcoin(BSV)。

“唉！将会有多少无明众生被表面的虚名所蒙蔽啊！”中本聪自言自语道。

光明与黑暗的争战将会一直持续下去。

一代过去，一代又来，大地却永远长存。

日光之下，根本没有新事。

7.后记 #

重组即公平竞争，规则之内的博弈。

分裂即非公平竞争，规则之间的争斗。

到此为止，本书全部完成。

前10篇为上半部，主要讨论系统的业务：交易

后10篇为下半部，主要讨论如何支撑交易：P2P网络、工作量证明等

本系列的核心价值在于，定位，即给技术概念以定位。

很多技术概念做了简化描述，目的是让读者更容易理解其定位。

本书写的是Bitcoin的生存（内环转动），下一本书将要写Bitcoin的发展（外环涌现），包括：Metanet、SPV、Token、Application等，书名为：重新创造元网（Recreating Metanet）敬请期待。