區塊鏈分叉分為軟分叉和硬分叉。本文主要探討的是硬分叉，一種不支持向後兼容的軟件升級方式。硬分叉是共識的分裂或者改變，共識就是區塊鏈系統中各節點達成數據一致性的算法，正常情況下每個節點需要運行相同規則的算法，例如比特幣運行的是基於PoW（工作量證明）共識，以太坊曾經也是PoW 共識，最近通過“The Merge” 切換到了PoS 共識算法。
分叉的原因有很多，在區塊鏈當中是一種很常見的現象，通常是短距離的分叉，這和共識算法有關，同一個高度上有時會出現相互競爭的區塊，但最終有的區塊會被放棄，只保留一個區塊。但硬分叉不同，這一種是有計劃有目的的分叉，一些節點客戶端部署了與原網絡不同的程序版本，生產出的區塊只能在分叉鏈上通過驗證，無法被原網絡接受，也不接受原網絡的區塊。例如近期熱門的EthereumPoW（ETHW）分叉。
如果要成功分叉一條區塊鏈並不容易，並非直接複製原網絡的代碼即可，需要進行基本的修改才能保證它安全運行，為此，我們總結了幾種常見的安全問題及防護方法。
網絡層
由於分叉鍊是獨立於原網絡的區塊鏈，首先需要在網絡層（P2P）進行隔離：
1、種子節點
種子節點，也稱bootnode 或者seednode，是區塊鏈啟動時網絡首先會嘗試進行連接的節點。分叉鏈在啟動時首先連接種子節點列表裡的節點，從而進一步發現網絡中其它的對等節點，然後才能進一步同步區塊，達成共識。因而必須要修改種子節點列表，防止連接到原網絡的節點。
2、異形攻擊
即使種子節點列表改變了，但並不代表分叉網絡不會連接到原網絡，因為雙方的P2P 協議是相同的，如果有一個節點無意中添加了另外一個網絡的節點連接，那麼兩個節點將成功握手，並將對方添加到節點地址池。不僅如此，雙方節點還會將自己節點裡的地址分享給對方，進而造成雙邊網絡節點池互相污染。關於這個問題，慢霧此前曾單獨披露過《衝突的公鏈！來自P2P 協議的異形攻擊漏洞》。
為了解決地址池互相污染的問題，需要在通信協議上做網絡識別。早期的以太坊並不支持網絡分隔，但後續的版本中在協議裡加入了NetworkID 做為網絡區分的標誌，NetworkID 通常是每個鏈的ChainID，例如以太坊主網的NetworkID 和ChainID 都為1，而ETHW 初始版本中並未對NetworkID 進行分叉，可能存在異形攻擊漏洞。
在比特幣網絡中，使用的是Magic 值來標識不同的網絡，通常在chainparams 裡進行定義，例如比特幣主網值為F9BEB4D9，測試網值為FABFB5DA。
共識層
1、交易隔離
通常與區塊鏈交互時，我們需要用自己的私鑰簽署一筆交易，隨後這筆交易被廣播到網絡，並被礦工或者出塊節點打包到區塊中。但如果區塊鏈出現分叉，這筆交易可能會被兩個網絡分別打包到不同的區塊當中，假設這是一筆原鏈上的轉賬，那麼分叉鏈上也會有相同的一筆轉賬，顯然這是一個非預期行為，會造成資產損失。
這時就需要對交易進行重放保護，在早期以太坊的版本中沒有做這樣的保護，後來EIP155 之後在交易結構中加入了ChainID，確保用戶簽署的交易只用於當前網絡。如果對以太坊進行分叉，那麼也需要對ChainID 進行重新定義，當然這並不是只修改配置裡的ChainID 這麼簡單，因為分叉鏈需要對舊的區塊做兼容，所以需要在分叉高度之後使用新的ChainID，才能保證分叉鏈正常運行。
比特幣的交易結構中不存在ChainID，那麼它是如何做重放保護的呢？比特幣使用了一種叫做UTXO 的模型，簡單說它是對一筆交易（UTXO）進行花費，而不是對賬號進行花費，通常全新啟動的網絡不會存在相同的兩筆交易，也就不存在重放的場景。
但是在硬分叉的情況下，還是會存在交易重放的問題，例如2017 年的BCH 分叉以及後來的BSV分叉。 BCH 通過在交易數據簽名添加SIGHASH_FORKID(0x40)，使得BCH 上的交易和BTC 的交易不再互相兼容，從而達到重放保護的目的。
2、算力調整
在分叉前，原鏈佔有全網所有的算力，那麼依據PoW 共識算法，它的出塊計算難度也是比較高的。分叉後，算力分散到不同的區塊鏈上，那麼分叉鏈由於共識不足通常無法獲得足夠的算力去生產新的區塊，區塊的增長會陷入停滯。這時有必要降低分叉後的初始計算難度，給分叉鏈贏得一個快速調整算力的時間窗口。
3、防範51% 攻擊
網絡和交易都隔離開了，區塊鏈分叉了，新區塊順利產出，一切都看似正常。然而安全問題依舊突出，它依舊存在一種更普遍、更難以防禦的攻擊：51% 攻擊。
挖礦是逐利的，當出現分叉幣時，哪邊的挖礦收益高礦工就會把算力切換到那個網絡，但現實是分叉幣往往幣價低，導致整體的算力十分低。以ETHW 分叉為例，我們從2miners 上看到，原ETH 網絡算力峰值最高超過900TH/s，而在寫稿時ETHW 的算力只有30TH/s 左右，大量算力消失並不是好事，它隨時可以對ETHW 發起51% 攻擊。
對於這種51% 攻擊的防範幾乎沒有什麼很好的方法，只能通過增加確認數來防範。
應用層
我們把建立在交易上的應用，如基於虛擬機的智能合約，統歸為應用層。區塊鏈在分叉時，也會對運行在區塊鏈上的應用產生巨大影響。
1、簽名重放
簽名重放與上文提到的交易重放是相同道理的，有一些合約，例如Gnosis Safe，它會在合約裡驗證用戶的簽名，如果簽名里沒有包含ChainID，那麼這個簽名非常可能可以在兩個鏈上重放，導致資產損失。
2、預言機失效
分叉後的區塊鏈多數智能合約依舊可以正常運行，例如Token 合約、AMM 合約，這些自運行系統不依賴於鏈下數據就可以穩定運行，但類似MakerDAO 等借貸系統，高度依賴預言機的價格數據，在失去鏈下餵價支持後，它將無法繼續運行下去。
3、價格劇變
區塊鏈分叉了，一個應用同時運行在兩個鏈上，用戶該使用哪個鏈上的應用？哪個算是“正統”的呢？這個問題又回到了共識上，通常哪個區塊鏈擁有正統的共識，那麼它上面的資產就會保留原有的價值共識，而另一個區塊鏈上的資產會在瞬間失去價值。
這種價格上的劇烈變化，會導致DeFi 應用徹底崩潰，借貸應用永遠無法平倉，有一些有識之士會抓住分叉的時間窗口，把“歸零”的資產通過AMM 等應用兌換成主鏈代幣，從而保留了一些價值，在ETHW 分叉事件中，我們觀察到了大量分叉鏈上的套利行為。
總結
至此，我們從網絡層、共識層和應用層對區塊鏈分叉的安全性進行了分析，可以看到其中存在的技術風險，對於分叉我們需要十分審慎地對待。並且，不少分叉的背後不僅僅是技術變革的需要，有的可能存在商業上的直接利益，例如發起方在分叉中直接獲取大量的分叉幣，這些都需要用戶準確認識，避免不必要的損失。
區塊鍊是一種去中心化的系統，它的升級不依賴於單一個人或組織，因此分叉在區塊鏈裡難以避免，雖然給社區用戶帶來混亂，但也促進了系統向前發展以更好地服務社會。
