组装和选择区块链

比特币共识机制的第四个步骤是区块链的组装和最大累积工作量（最大难度）的区块链的选择。一旦节点完成一个新区块的验证，它将尝试将区块和已存在的区块链进行连接，形成新的链条。

节点维护着三套区块的集合：连接到主区块链的区块；形成主链分支的区块（次链）；在已存在的链中均找不到父区块的新区块（孤儿）。只要不符合验证规则的任意一条，无效区块会立即被拒绝，不会被加入任何区块集合中。

“主链”在任何时候都是拥有最大累积难度的区块链。在大多数情况下，这也是含有区块最多的链，例外的情况是，同时存在两条长度一样的链，但其中一条的工作量证明更多。主链也可能存在分支，分支上有与主链区块存在同辈关系的区块。这些区块虽然同样是有效的，但不是主链的一部分。保留这些分支的目的在于，某些分支可能会在未来得以延伸，并在难度值上超过主链，那么后续的区块就会引用它们。在下一小节（“区块链分叉”）中，我们将看到由于几乎同时挖出了相同高度的区块，导致了次链的产生。

当节点接收到新区块时，会尝试将其插入已存在的区块链中。首先在区块中检查“前序区块哈希”字段，它是新区块对其父区块的引用。接着，在已存在的区块链中查找这个父区块。大多数时候，父区块会在主链的“顶端”，意味着新区块延长了主链。举例来说，新区块277316有一个到其父区块277315的哈希的引用。大多数节点接收到区块277316前，在其主链上已经存在区块277315，并处于区块链顶部，接收277316后将其与主链相连，并将区块链延长。

有时，正如“区块链分叉”中所描述的，新区块延长了一个链，但它却不是主链。在这种情况下，节点将区块连接到次链上，然后比较次链和主链的累积难度。如果次链的累积难度超过了主链，该节点将在次链上重新收敛，也就是说它将选择次链作为新的主链，而原来的主链则成了次链。如果该节点是矿工，它之后将在这个更新更长的链上构建区块，并进一步延长它。

如果接收到的是一个有效的区块，但是其父区块却无法在已存在的链上找到，那么这个区块就被当作是一个“孤儿”区块。孤儿区块被保存到孤儿区块池中，直到它的父区块到达本节点。一旦接收到父区块并连接到已存在的链条上，孤儿区块就可以从孤儿区块池中被取出，并与其父区块相连，成为区块链的一部分。孤儿区块的产生通常是因为两个区块被挖出的时间间隔比较短，而接收顺序刚好相反（子区块先于父区块到达本节点）。

通过选择最大难度的链条，所有节点最终将达成全网范围内的共识。当更多的工作量证明加入，某个可能的链条延长时，不同链条间暂时性的差异，最终将会得到解决。挖矿节点根据它们的挖矿能力，通过创建新区块的方式，“投票”决定待延长的链条。当它们开采出新的区块并延长了区块链条时，这个新区块本身就代表了它们的投票结果。

在下一节中，我们将讨论如何通过独立选择最长难度链条来解决竞争链（分叉）间的差异问题。

因为区块链是一个去中心化的数据结构，区块链的不同副本不是时刻都能保持完全一致的。区块在不同节点间的到达时间会存在差异，因而不同的节点可能拥有不完全一样的区块链视图。为了解决这个问题，每个节点总是选择并尝试延长代表了最大工作量证明的区块链，即最长的链条或者最大累积难度的链条。通过汇总记录在链上的每个区块的难度值，节点可以计算出创建这个链所耗费的工作量证明总额。只要所有节点都选择最大累积难度的链条，全局比特币网络最终将调整到一致状态。分叉是不同版本的区块链间暂时的不一致现象，当更多区块被加入其中某一个分支时，最终收敛将解决这一问题。

在接下来的几张图中，我们将在全网范围内，追踪“分叉”事件的整个过程。图形是比特币作为一个全局网络的简化表示。在现实中，比特币网络拓扑并没有按照地理位置进行组织。相反，互连的节点形成了一个网状网络，但是相连的节点间地理距离可能非常遥远。使用地理拓扑的表示法是为了更加简洁地演示分叉。在真实的比特币网络中，节点间的“距离”是用节点到节点间的“跳数”（hops）来衡量的，而不是基于它们的物理位置。出于演示目的，不同区块用不同颜色表示，散布在网络中，而它们经过的连接也用该颜色标示出来。

第一个图例（见图8.2），全网拥有统一的区块链视图，蓝色的区块位于主链的顶端。

图8.2 区块链“分叉”事件演示——分叉前

当两个候选区块同时竞争以形成最长区块链时，“分叉”发生了。通常情况下，这是因为两个矿工几乎在同时找到了工作量证明算法的解。当矿工发现各自候选区块工作量证明的解时，他们立即将“赢得”的区块发送给离他们最近的邻居，这些邻居则继续将区块传播到网络中。每个节点接收到一个区块后，都会将其整合进自己的区块链，将区块链延长一个区块。如果节点稍后又看到另一个候选区块同样延伸了相同的父区块，那么它将会把第二个候选区块连接到次链上。结果是，有些节点先“看到”这个候选区块，而其他节点则会先看到另外一个候选区块，这样两个竞争版本的区块链就出现了。

图8.3中，我们看到两个矿工几乎同时发现了两个不同的区块。两个区块均是蓝色区块的子区块，也就是说，将在蓝色区块之上创建新区块来延伸区块链。为了便于跟踪，一个区块被标识为红色，从加拿大发起，另一个标为绿色，从澳大利亚发起。

图8.3 区块链“分叉”事件演示：两个区块同时被发现

假设A国的矿工找到了“红色”区块的工作量证明的解，从而在父区块“蓝色”区块上延伸了区块链。几乎同时，B国的矿工也找到了“绿色”区块的解，也在“蓝色”区块上延伸了区块链。现在，存在两个可能的区块，一个是“红色”，来自A国；另一个是“绿色”，来自B国。两个区块都是有效的，都包含了有效的工作量证明，都在相同的位置延伸了区块链。两个区块中的交易也几乎相同，可能只是在交易顺序上有些细微差异。

当两个区块都开始广播后，有些节点先接收到了“红色”区块，而有些节点则先收到了“绿色”区块。如图8.4所示，网络分裂为两个不同的区块链视图，一个视图顶端是“红色”区块，另一个则是“绿色”区块。

图8.4 区块链“分叉”事件演示：两个区块的广播导致网络的分裂

从这个时刻开始，离A国的挖矿节点最近的（拓扑上而不是地理上最近）比特币网络节点将首先接收到“红色”区块，并建立一个最大累计难度的区块链，“红色”区块为这个链的最后一个区块（蓝—红），同时忽略晚到的“绿色”候选区块。同时，接近B国的节点将认为“绿色”区块是赢家，并将其加入区块链的最后区块（蓝—绿），而忽略晚到的“红色”区块。任何先看到“红色”的矿工，会以“红色”为父区块，立即开始构建新的候选区块，并尝试找到候选区块的工作量证明解。先接受“绿色”区块的节点则基于区块链顶端的“绿色”区块开始工作。

分叉问题几乎都能在一个区块的处理过程中就得以解决。网络中的一部分哈希算力专注于在“红色”区块之上挖矿，而另一部分算力则专注在“绿色”区块之上挖矿。即便哈希算力能做到平均分配，其中某个阵营先找到新区块的工作量证明解，并广播到网络的概率也是极高的。我们假定在“绿色”区块上挖矿的阵营先找到一个“粉色”的区块，从而延长了区块链（蓝—绿—粉）。它们会立即将此区块广播到网络，整个网络都会确认其有效性。如图8.5所示。

图8.5 区块链“分叉”事件演示：一个区块延伸了一个分叉

所有在上轮挖矿竞争中选择“绿色”并成为赢家的节点，简单地将区块链延伸一个区块。选择“红色”的，现在将看到两条链：“蓝—绿—粉”和“蓝—红”。“蓝—绿—粉”链相对“蓝—红”更长（累积难度更多）。结果，这些节点将重新将“蓝—绿—粉”设置为主链，而“蓝—红”则成为次链，如图8.6所示。这就是链的重收敛，因为那些节点被迫改变它们对区块链的认定，以接受更长链条的客观事实。所有正在尝试延长“蓝—红”链的节点将放弃在那条链上的工作，因为父区块“红色”已不在最长的链条上，它们的候选区块变成了“孤儿”。由于区块已不在最长的主链中，“红色”区块内的交易只能重新进入队列，等待处理下一个区块。整个网络收敛到一个区块链，“蓝—绿—粉”，“粉色”则作为链条的最后一个区块。所有矿工立即投入新的、以“粉色”区块为父区块的延展“蓝—绿—粉”区块链的工作。

图8.6 区块链“分叉”事件演示：网络重新收敛到一个区块链

理论上，如果连续两个区块几乎同时被处于分叉两侧的矿工挖出，则存在分叉延续两个区块的可能性。但是发生这种事情的概率非常低。一个区块的分叉可能每个星期会发生一次，但是两个区块的分叉极少出现。

10分钟的比特币区块间隔是一种在快速确认（交易结算）和分叉可能性之间的一种权衡。更短的区块间隔时间可以使交易的清算更快，但是会导致更频繁的区块链分叉；而更长的区块间隔时间虽然可以降低分叉次数，却使得交易结算变慢了。