區(qū)塊鏈分叉問題的分析研究

侯佳憶 吳剛 藺靜茹

摘 要

區(qū)塊鏈開創(chuàng)性地利用密碼學(xué)元素和共識機(jī)制構(gòu)建了一個安全的去中心化系統(tǒng)。區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛诺暮诵模命c(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信，讓區(qū)塊鏈中的每一個參與的節(jié)點(diǎn)，對每個區(qū)塊提案進(jìn)行確認(rèn)共識，將最后的共識區(qū)塊信息存儲在區(qū)塊鏈的各個節(jié)點(diǎn)的本地?cái)?shù)據(jù)庫中，這樣就能夠保證數(shù)據(jù)的防篡改，公開透明性，同時能夠保證交易的正常進(jìn)行，但是由于區(qū)塊鏈的技術(shù)升級，會導(dǎo)致每個節(jié)點(diǎn)的升級出現(xiàn)異步問題，對一致性產(chǎn)生威脅，導(dǎo)致區(qū)塊鏈出現(xiàn)分叉的問題，最終導(dǎo)致區(qū)塊鏈的安全，可信受到威脅，本文對區(qū)塊鏈分叉問題進(jìn)行研究，給出了一個解決區(qū)塊鏈分叉問題的方案。

關(guān)鍵詞

區(qū)塊鏈;分叉;分析研究

中圖分類號： TP311.13 ? ?? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.063

0 概述

理想情況下的比特幣區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€同步的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，假設(shè)各個副本節(jié)點(diǎn)在區(qū)塊鏈中的信息交換和區(qū)塊的添加沒有任何的延時，那么在這種情況下，如果不發(fā)生區(qū)塊鏈的系統(tǒng)升級，那么每個副本節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)塊會是相同的，但是現(xiàn)實(shí)的區(qū)塊鏈場景中，由于區(qū)塊鏈的副本節(jié)點(diǎn)在挖礦的過程中，存在著同時的情況，而且節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的信息廣播也存在網(wǎng)絡(luò)時延，那么在這樣一個場景下，區(qū)塊的信息驗(yàn)證就會出現(xiàn)錯誤的情況，如果這種情況發(fā)生，區(qū)塊鏈分叉問題就出現(xiàn)了，下面我們對區(qū)塊鏈分叉問題進(jìn)行詳細(xì)的分析。

單純的分析比特幣挖礦的模型，出現(xiàn)鏈的分叉是一個必然結(jié)果，早期的區(qū)塊鏈挖礦的設(shè)計(jì)，是礦工與礦工之間獨(dú)立地進(jìn)行，下面我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)條件是，已存在區(qū)塊長度為10的區(qū)塊鏈，比特幣礦工只有10人，區(qū)塊鏈的尾塊暫且定為a，實(shí)驗(yàn)假定，10個比特幣的礦工，其中有兩個礦工同時達(dá)到了獲取比特幣的條件，即同時產(chǎn)生了新的比特幣區(qū)塊信息節(jié)點(diǎn)，分別為i和j。而此時由于雙方都不知道對方是否挖礦成功，兩個礦工都默認(rèn)地向全網(wǎng)廣播了i和j，此時區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了兩個區(qū)塊，兩個區(qū)塊的指向的尾塊都是a，于是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)會出現(xiàn)以i和j為尾塊的兩條鏈，而且兩條鏈都是合法的鏈，于是區(qū)塊鏈就出現(xiàn)了分叉的問題。

這個問題是單純的挖礦模型必然產(chǎn)生的問題，該區(qū)塊鏈分叉的問題會導(dǎo)致兩條分叉鏈，最終比特幣的消費(fèi)會出現(xiàn)重復(fù)消費(fèi)的風(fēng)險，如果一直持續(xù)下去，整個區(qū)塊鏈的分叉網(wǎng)絡(luò)鏈將會越來越多，使得區(qū)塊鏈中的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的通訊開銷呈指數(shù)級的增長，系統(tǒng)運(yùn)行效率急劇下降，最終會將網(wǎng)絡(luò)的性能拖垮，區(qū)塊鏈比特幣技術(shù)為了解決這個問題，引入了區(qū)塊鏈高度的變量，為共識檢測點(diǎn)，每隔一段時間，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)會同步一下區(qū)塊鏈的高度，將高度異常的區(qū)塊鏈定義為非法區(qū)塊鏈，這樣，非法區(qū)塊鏈上的區(qū)塊信息即為無意義區(qū)塊，對整個區(qū)塊鏈將不會產(chǎn)生任何影響，同步區(qū)塊鏈的高度過程，成為共識過程，比特幣區(qū)塊鏈實(shí)用共識技術(shù)，解決了挖礦模型的分叉問題。

由于使用了共識的檢測節(jié)點(diǎn)作為處理分叉的方案，區(qū)塊的分叉并不是實(shí)時的同步，在某一時間節(jié)點(diǎn)下，每個區(qū)塊鏈的尾部部分的區(qū)塊可能是分叉區(qū)塊，在共識同步之前，還會有新的區(qū)塊信息追加在分叉的鏈后，但是因?yàn)橥焦沧R檢測點(diǎn)的存在，分叉鏈的無限增長的概率會指數(shù)下降，在這樣一個實(shí)際情況下，比特幣組織在處理比特幣交易的時候，采用的是延時交易確認(rèn)，即發(fā)起比特幣交易到交易成功中間需要有時間間隔，時間間隔的長短正好是區(qū)塊鏈共識檢測點(diǎn)時間間隔。

1 區(qū)塊鏈的分叉類型

比特幣區(qū)塊鏈不僅僅是自身運(yùn)行會產(chǎn)生分叉，同時比特幣區(qū)塊鏈會在技術(shù)升級時人為的產(chǎn)生區(qū)塊鏈分叉問題，因?yàn)楸忍貛艆^(qū)塊鏈的組成是很多個共識節(jié)點(diǎn)，當(dāng)技術(shù)升級時，每個共識節(jié)點(diǎn)會出現(xiàn)升級的分歧意見，導(dǎo)致每個共識節(jié)點(diǎn)在升級之后的驗(yàn)證行為發(fā)生了不同，在之后的運(yùn)行過程中將會產(chǎn)生多個區(qū)塊鏈，這樣就出現(xiàn)了人為的區(qū)塊鏈分叉，這種分叉是允許的，同時該分叉的類型分為硬分叉和軟分叉兩種。

硬分叉指的是升級前的舊區(qū)塊共識節(jié)點(diǎn)和升級后的新區(qū)塊共識節(jié)點(diǎn)的鏈的分叉，在比特幣區(qū)塊鏈進(jìn)行技術(shù)升級之前，會將方案提交，盡量地征求大部分的比特幣區(qū)塊鏈共識節(jié)點(diǎn)的省級統(tǒng)一，這是硬分叉的前提條件，當(dāng)大部分共識節(jié)點(diǎn)同意升級請求后，會進(jìn)行升級，升級過后，新的區(qū)塊鏈的區(qū)塊驗(yàn)證機(jī)制將會有別于就的區(qū)塊驗(yàn)證機(jī)制，比特幣區(qū)塊鏈此時會存在兩條區(qū)塊鏈，但是兩條鏈的區(qū)塊共識節(jié)點(diǎn)是不成比例的，在系統(tǒng)之后的運(yùn)行過程中，舊的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)會越來越少，挖礦的礦工會逐步的升級到新的區(qū)塊鏈中，硬分叉在最終將會被共識統(tǒng)一，前提是升級方案得到大多數(shù)節(jié)點(diǎn)的同意，硬分叉地出現(xiàn)在2017年，當(dāng)時力推了SegWit2x的升級，產(chǎn)生硬分叉，此次的升級時為了提高區(qū)塊鏈的區(qū)塊信息大小。但是目前各方的反應(yīng)都不同，其中BTCC交易所的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官鮑比·李，從最初的贊同升級，到現(xiàn)在反對和擔(dān)憂本次的硬分叉升級。

軟分叉的實(shí)質(zhì)相對硬分叉來說，沒有實(shí)際產(chǎn)生多條分叉區(qū)塊鏈，是一種在區(qū)塊信息驗(yàn)證機(jī)制上的分歧，但是新的區(qū)塊驗(yàn)證機(jī)制會去向下兼容就的區(qū)塊驗(yàn)證機(jī)制，這樣雖然在整個區(qū)塊鏈中，同時有兩種區(qū)塊驗(yàn)證方式，但是實(shí)際上不會產(chǎn)生新的區(qū)塊鏈分叉，軟分叉的產(chǎn)生比硬分叉要早，在2012年產(chǎn)生過一次，是比特幣的BIP升級項(xiàng)目，當(dāng)時使用的就是軟分叉方案。軟分叉的不足之處是在于區(qū)塊驗(yàn)證協(xié)議的兼容性和驗(yàn)證協(xié)議的安全性之間的矛盾，很難在兩者之間取一個合適的平衡點(diǎn)，所以實(shí)際過程中，軟分叉不太好設(shè)計(jì)。

2 基于隨機(jī)公證節(jié)點(diǎn)機(jī)制算法

為了解決區(qū)塊鏈硬分叉的問題，作者提出了一種算法機(jī)制，隨機(jī)公證節(jié)點(diǎn)機(jī)制來解決區(qū)塊鏈分叉問題，該算法的具體定義流程如下，分為兩個部分，一個是隨機(jī)公證節(jié)點(diǎn)的選取，一個是新區(qū)塊的產(chǎn)生。

選取隨機(jī)公證節(jié)點(diǎn)的步驟如圖1所示。

首先需要選取一個節(jié)點(diǎn)作為算法的開始，由該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)挑選，產(chǎn)生一個公證節(jié)點(diǎn)a，同時將選取結(jié)果和節(jié)點(diǎn)a的信息一并廣播到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)接收到廣播信息時，未被選中的節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證廣播信息，如果驗(yàn)證不通過，則丟棄信息，算法結(jié)束，如果驗(yàn)證通過，則將信息更新至本地日志，記錄公證節(jié)點(diǎn)編號，被選中的節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證廣播信息，如果驗(yàn)證不通過，則丟棄信息，算法結(jié)束，如果驗(yàn)證通過，則標(biāo)記自身為公證節(jié)點(diǎn)，更新本地日志信息，同時會停止產(chǎn)生新區(qū)塊的功能。

新區(qū)塊的產(chǎn)生步驟如圖2所示。

新區(qū)塊產(chǎn)生機(jī)制其實(shí)有兩條分支在運(yùn)行，當(dāng)非公證節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生新區(qū)塊之后，會廣播新區(qū)塊信息提案到區(qū)塊鏈，由區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行公示提案，同時還會將新區(qū)塊信息發(fā)送給公證節(jié)點(diǎn)進(jìn)行公證。

當(dāng)公證節(jié)點(diǎn)收到新區(qū)塊信息，會對區(qū)塊信息進(jìn)行驗(yàn)證，如果驗(yàn)證不通過，會將新區(qū)塊丟棄，同時會將該丟棄的記錄廣播給全網(wǎng)，使新區(qū)塊不可信，新區(qū)塊信息的共識過程就會被終止。如果驗(yàn)證通過，會將新區(qū)塊更新添加記錄在公證節(jié)點(diǎn)本地的區(qū)塊鏈尾部，同時會將該驗(yàn)證消息廣播給全網(wǎng)，使新區(qū)塊可信，新區(qū)塊信息的共識過程正常進(jìn)行。當(dāng)公證節(jié)點(diǎn)在同一個共識過程中，收到了多個新區(qū)塊的驗(yàn)證請求，當(dāng)都通過驗(yàn)證后，公證節(jié)點(diǎn)會發(fā)起全網(wǎng)投票，通過投票結(jié)果，決定新區(qū)塊是否可信，重復(fù)上述的動作。當(dāng)新區(qū)塊全部產(chǎn)生，共識結(jié)束后，算法正常退出。

3 結(jié)論

論文論述了區(qū)塊鏈分叉的背景，區(qū)塊鏈分叉中的硬分叉和軟分叉，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于隨機(jī)公證節(jié)點(diǎn)機(jī)制的算法，該算法能夠有效地避免區(qū)塊鏈的硬分叉鏈的不斷增長，當(dāng)區(qū)塊鏈出現(xiàn)硬分叉時，同一共識視圖過程中，出現(xiàn)多個可信的新區(qū)塊的情況，能夠通過公證節(jié)點(diǎn)的裁決和投票，讓新區(qū)塊的盡量地轉(zhuǎn)移到大多數(shù)節(jié)點(diǎn)的主區(qū)塊鏈中，當(dāng)區(qū)塊鏈運(yùn)行一段時間過后，硬分叉的情況會逐步地減少，最終消除。該算法的公證裁決建立在本身的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，能夠消除區(qū)塊鏈分叉的同時，保證了區(qū)塊鏈的去中心化特性，對區(qū)塊鏈中的區(qū)塊信息的安全性得到了保證，本文對于區(qū)塊鏈的分叉問題的分析研究，是為了給其他相關(guān)的研究人員一個借鑒思路，為以后提出更加成熟的解決方案奠定基礎(chǔ)，這是本文研究的目的所在。

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