4.3　长枝生存

区块链是公共账本的展开形式，直观上看，它有两种表示：（1）竖立模型，以创世纪块为起点朝上生长，类似建楼房，故有“高度”的概念；（2）横向模型，以创世纪块为起点朝右生长。

本节我们讨论区块链是如何生长的。

4.3.1　挖矿

在第1章中我们提到，记账员都在记账并维护自己的账页，对于当前账页，谁先提交正确的账页，谁就胜出，即绝大多数记账员承认他的账页并以他的账页为基础，开展下一页的记账工作，而由于每个账页中含有一笔支付给该账页记账员的奖励交易，故他获得了奖金。

由于他的账页中含有谜题的解，故除了第1章所要求的账务正确、含前一页的缩微等验证，还应验证谜题的解是否正确，好在谜题的验证非常容易。

因此，要想获得奖金，必须提交谜题的正确解，而解谜题是个拼算力的苦力活儿，类似于挖矿，故记账员摇身一变成了“矿工”，而他的本职工作记账倒是花费很少的时间与精力了。账页中那笔奖励交易可以视为挖矿收入，故可称为“挖矿”交易。

这样，第1章的公共账本，现在每页多了一个“谜题的解”，它体现该页的“挖矿”工作量。每一编号的账页，按“提交优先”的原则选择一个，即大家只承认最先提交者的工作，只有他的账页作为共享账本的页面，并且他因此获得了“挖矿”收入。

4.3.2　软分叉

在上述机制下，每个账页含有前一个账页的“缩微”，把这种关联关系视为“链接”，就形成了链，即公共账本。如果把这种关系视为“父子”关系，则形成一个家族链，只是每代都是“独子”。哈哈，如果不是独子，我们就取“长子”，类似于在古代皇帝选皇太子。

我们再看看在非常大的广域网络环境中，上述“提交优先”的原则碰到的问题：矿工竞争挖矿，完成当前页后，迅速提交各自完成的账页，由于网络传输的影响，你看到的“最先提交”和他看到的“最先提交”很可能不同。你以自己看到的“最先提交”为基础进行挖矿，他也以自己看到的“最先提交”为基础进行挖矿，这样就产生了分叉。

例如，你可能在片刻的时间内，同时收到了A、B、C广播的“当前块”，它们都是正确的区块，谜题的解也正确。A一定在产生A块的那个矿工的链上，B一定在产生B块的那个矿工的链上，C一定在产生C块的那个矿工的链上，将这三个矿工的链都拿过来，将三条链中重复的部分重叠在一起，因为三条链都是从同一个创世纪区块开始的，即使再短的链，至少创世纪区块是一致的，所以会出现分叉。但这种分叉是“暂时”的，因此称为“软分叉”，就像你看到的新生的树枝，如图4.1所示。

4.3.3　剪枝成干

假定你也是矿工，你在上述“软分叉”的情形下，选取三条链中的哪一条？即选择A、B、C中的哪一块作为自己生产新区块的前置区块？

假定你收到的次序为“B、C、A”，此时，你“认可”A、B、C中的哪一个？程序给出了一个“认可”的规则，当然是在区块正确的前提下，包含不合格交易的区块将被抛弃：第一优先权（长度优先），也就是说，能使区块链更长的区块具有优先权。又因区块链的长度也被称为高度，故也称为高度优先。显然，图4.1中的B不满足此条件。

如图4.2所示，C与A处的高度是一样的，假定你先收到C，故你选定C为“当前块”，你将以它为基础去创造下一个区块（此时你心目中当前“认可”的区块链为C所在的链）。你选择C，可能别人选择A，这样就分叉了，两叉均向前成长，如图4.3所示，一旦后续你先收到A的后代E，再收到C的后代F，E与F处于同一高度，在收到E还未收到F时，你按长度优先原则马上选择了E。由于E的父亲为A，这样，就表示你调整了分支，从C所在的分支调整到了A所在的分支，也就是说，你原来投C的票改为投A了。

每个矿工都有一条心目中“当前认可”的区块链，之所以说“当前”是因为由于长度优先原则可能会使得你后续调整，如C分支没竞争过A分支，则你会抛弃C所在的链转而选择A所在的链，因为你希望基于正确的链去创造新的区块以获得奖金。这种情况称C被剪枝。

假定矿工都“守规矩”，矿工各自遵循上述规则，从“创世纪”区块出发，逐步“PK”并“成长”出一条区块链。这相当于矿工对区块进行投票，而矿工对区块链的每一高度都只有一票，如上述你可以先投区块C一票，再撤销这一票，改投区块A。

假定我们能将所有矿工的链都拿过来，将相同的区块叠加，由于所有矿工都以创世纪区块为起点，所以叠加结果如图4.4所示。在这里以区块颜色的深度表示叠加的数量，颜色越深，叠加的区块越多，即以投票的多少表示达成共识的程度，该区块链成为共识链。

请比较图4.4和图1.7，它们都是修树成链，一个是统计意义下的链（区块链），一个是绝对确定意义下的链（链堂）。既然是统计意义下的链，那么，要获得正确的区块就不能只从一个网络节点取数据，而应该从多个节点取数据，再以“计票”统计来确定（横向验证）。好在这种功能在P2P网络中很容易实现。

其实，我们只要对点对点P2P网络进行统计抽样，仍然能得到上述共识链。从区块链不断向右生长的角度看，最右端新区块还没有完全达到共识，左端越老的区块共识度越高，而一定时间前的区块是完全共识的，即在各矿工那里的老账页副本完全一样，这就是区块链作为分布式数据库而言的“最终一致性”，但实际上是滞后一致性。

在自然界，我们也能看到如水杉、白杨树等向上生长的过程中，顶端是分叉的，虽有许多小枝，但树干是唯一的，这实际上也是竞争形成的：一方面顶端各小枝向上争夺阳光；另一方面底下向上输送物质，物质与阳光合成养分，采取“高度”优先的原则，使得顶端“高度”占优的枝茁壮成长，它们在生长过程中又分出小枝，而其他枝则不再生长，甚至脱落，即剪枝。

在“长度优先”的基础上，还可以增加其他次级优先权，如下所示。

第二优先权（交易数量）：包含较多交易的区块优先；

第三优先权（区块的时间）：区块中时间戳越早，代表产生的区块越早，则越优先，但时间戳是矿工填入的，需要存疑，所以，只有时间戳合乎一定要求的区块才是合格的。

4.3.4　不被剪掉

如图4.5所示，站在区块链上的某区块处（区块链以竖立模型理解）。

（1）向下看（向左看），从创世纪块开始到这个区块为止，区块的个数为该区块的“高度”。

（2）向上看（向右看），从该区块到该分支的末端（最右端）的区块个数为该区块的“深度”。区块深度也称为该区块被确认的次数。

上述剪枝过程使得区块链与树类似，它们的底部（左侧）是固化的，随着时间的推移，固化段越来越长，它在向上（向右）生长的过程中，向上（向右）逐步变成“树干”，即区块链从创世纪块开始，向上（向右）逐步成为永久的主干，即公共账本，只是在顶端（或最右）枝繁叶茂。

从上述剪枝过程分析，我们知道越在顶端的区块越容易被剪掉，即区块被剪掉的可能性与它与顶端的距离成“反比”关系，因此，区块深度可以用来度量区块不被剪掉的程度。

分支不同而高度相同的两个区块A与B，A的深度为5，B的深度为3，显然，A所在的分支比B所在的分支更长，故A被剪掉的可能性低于B，即区块被剪掉的概率与区块深度成反比：区块被确认的次数越多，意味着它所在的分支链越长，该区块被剪掉的可能性越低。

这个原理也可以看作通过算力保护该区块不被剪掉，深度越深，保护得越牢。区块深度代表区块被算力保护的程度。

我们再看看通过算力来防篡改：对区块的恶意修改可以从修改的节点开始，形成一个新的分支，相对于原分支而言，由于作恶者算力不足，新分支的长度没有追赶上原分友，因而在“长度优先”的比较中，在统计意义上，新分支将被剪掉，原分支将被保留，从而达到防篡改的目的。

防剪掉强于防篡改，因为：①篡改一定会产生新的分支，新分支在竞争中一定会被剪掉，而保留未被篡改的；②发生软分叉时的两个分支，链上数据可能都完全正确，在竞争中短枝会被剪掉，长枝会被保留。

通过上述方法在所有矿工中达成共识，专业术语叫作区块“最终一致性”，即滞后一致性：

（1）某一高度的区块经一定的确认次数，矿工们达成了一致；

（2）达到一定深度的区块已在“主干”上，不可能被剪掉。

“最终”实际上是指“滞后”，是用确认次数（即深度）来表示的。比特币区块链的“最终”为至少“6次确认”，即如果某区块被确认了6次以上，到达了“最终”时刻，则可以认为矿工们对该区块达成了共识，这时，该区块中的交易就是算数的。而对于新产生的区块，还没有达到6次确认，其区块中的交易是否算数还需要等待。

“在所有矿工中达成共识”中的“所有”不是绝对的，而是统计学意义上的共识，即指“任意”抽取一定数量的矿工，“都能”实现“多数”矿工是一致的。