一、区块链鼻祖比特币之8:分叉带来的双花支付、51%攻击与解决办法

分叉

前面讲到了比特币通过区块链+工作量证明的独特设计来解决了时间顺序，但是不能保证在同一时刻有两个节点算出了正确的解，虽然这种可能性很低很低。这就带来了区块的分叉。

虽然说几乎同时有两个节点计算出这一数学问题的可能性微乎其微，但是仍然存在这样的可能性，所以分叉就以为着同一个区块的后面可能会跟上两个不同的区块。

规则的打破一直要到下一个区块被人解开。则会立即转向最长的区块，而那些短的区块则会被抛弃。数学问题使得区块很难被同时拆解。要连续发生多次更是困难。最终区块链会稳定下来。也就是说所有人对最后几个区块顺序达成共识。分叉意味着，譬如，若你的交易出现在较短的支链，它就会失去进入区块链的位置。一般而言，只代表他会回到未确认交易池。然后被纳入到下一个区块。

比特币网络如何解决分叉带来的双花支付

可惜，交易失去区块位置的潜在可能，给了本来定序系统防范的重复支付攻击机会。考虑下面的一个攻击者A，其首先用自己的比特币交换B节点的货物，其立即又支付给自己。然后其通过努力的制造更长的链条来让自己的支付替代掉B节点的支付，从而实现了双重支付，B节点既得不到钱，还失去了货物。

这时交易会退回到未确认池中，因为A节点已经利用参照同样的input交易取而代之。节点就会认为Bob的交易无效。因为已使用掉。

你可能会猜测A节点会预先的计算出一支区块链，然后抓住时机发布到网络。但是每个区块的数学谜题阻挡了这个可能性。如前面所诉，解开区块是猜测出一个随机数的过程。一旦得出答案，解出的哈希值就会成为指纹一样的区块识别。只要区块内容有一丁点变化，下一个区块的参考值就会完全不同。此机制的结果就是无法在区块链中置换区块。在得到前一个区块之前，下位区块无法被解开。前一个区块的指纹也是杂凑函数的引数之一。

同时，该工作量证明机制还解决了在集体投票表决时，谁是大多数的问题。如果决定大多数的方式是基于IP地址的，一IP地址一票，那么如果有人拥有分配大量IP地址的权力，则该机制就被破坏了。而工作量证明机制的本质则是一CPU一票。“大多数”的决定表达为最长的链，因为最长的链包含了最大的工作量。如果大多数的CPU为诚实的节点控制，那么诚实的链条将以最快的速度延长，并超越其他的竞争链条。如果想要对业已出现的区块进行修改，攻击者必须重新完成该区块的工作量外加该区块之后所有区块的工作量，并最终赶上和超越诚实节点的工作量。我们将证明，设想一个较慢的攻击者试图赶上随后的区块，那么其成功概率将呈指数化递减。另一个问题是，硬件的运算速度在高速增长，而节点参与网络的程度则会有所起伏。为了解决这个问题，工作量证明的难度(the proof-of-work difficulty)将采用移动平均目标的方法来确定，即令难度指向令每小时生成区块的速度为某一个预定的平均数。如果区块生成的速度过快，那么难度就会提高。

如果有一台超级电脑，能够在区块解题中获胜？

即便是一台超级电脑，或者时几百上千台电脑也很难赢得解一个区块的胜利，因为竞争对手不是任一台电脑，而是整个比特币网络。你可以用买彩票来比拟。操作千百台电脑，如同买了千百张彩票一样。

51%攻击是指的什么

根据前面的例子，我们知道，要想有50%的概率领先其他人解题得到胜利，就需要掌握全网50%以上的算力。要连续领先他人解出区块，掌握的运算能力还需要高得多。所以区块链中的交易是受到数学竞赛所保护。恶意用户必须和整个网络较量。区块连接建立的结果，使得在支链越前方的交易越安全。恶意的用户必须在更长的时间赢过全网络，来达成重复支付，替换前面的区块链。所以，系统只有支端末尾易受到重复支付攻击。这也是为什么系统建议多等几个区块，才能确认收款成功。

个人博客：

二、双花是什么花区块链技术如何避免支付中的双花问题

“双花”是指在加密货币系统中，同一笔数字资产被重复使用的现象。例如，Alice钱包里有10美元，可以购买等值的物品。然而，在双花问题中，她可以同时购买两件价值10美元的物品。在日常生活中的中心化系统中，这种情况不会发生，因为支付后，资金不再属于购买者。但分布式系统中，交易记录被网络中的所有节点记录和传播，可能出现路径差异、节点失效导致信息传播延迟或丢失。这可能导致某个节点未收到Alice花费10美元购买台灯的信息，仍认为她有10美元购买其他物品，从而允许Alice在同一笔钱上进行双重消费。

避免双花问题的关键在于确保交易的唯一性和确定性。比特币的创始人中本聪提出，通过以下步骤实现这一目标：

1.新交易向全网广播。

2.节点收集交易信息并打包成区块。

3.节点寻找工作量证明。

4.找到工作量证明的节点广播区块信息。

5.其他节点确认交易的有效性和唯一性。

6.获得其他节点确认的节点通过扩展链接网络来确认交易。

通过上述步骤，交易被时间戳标记并在区块中打包，完成第一次确认。连续六次确认确保记录的不可篡改性。因此，尝试进行双重支付交易时，由于确认时间较长，后一交易几乎不可能与前一次交易同时确认，从而避免了双花问题。区块链技术通过全网记账和共识机制确保了交易的唯一性和安全性，有效防止了双花问题的产生。

三、关于“双花”你需要知道的

如果小明使用的不是现金，而是数字货币呢？

“双花”问题

“双花”，即一笔钱被花了两次或者两次以上，也叫“双重支付”。

在数字货币系统中，由于数据的可复制性，使得系统可能存在同一笔数字资产因不当操作被重复使用的情况。

1. 51%攻击

51%攻击，又被称为Majority attack。这种攻击是通过控制网络算力实现双花。如果攻击者控制了网络中50%以上的算力，那么在他控制算力的这段时间，他可以将区块逆转，进行反向交易，实现双花。

比如Bitcoin Gold发生的双花问题就属于51%攻击。攻击者控制Bitcoin Gold网络上51%以上的算力，在控制算力的期间，他把一定数量的BTG发给自己在交易所的钱包，这条分支我们命名为分支A。同时，他又把这些BTG发给另一个自己控制的钱包，这条分支我们命名为分支B。

分支A上的交易被确认后，攻击者立马卖掉BTG，拿到现金。这时候，分支A成为主链。然后，攻击者在分支B上进行挖矿，由于其控制了51%以上的算力，那么攻击者获得记账权的概率很大，于是很快，分支B的长度就超过了主链，也就是分支A的长度，那么分支B就会成为主链，分支A上的交易就会被回滚（回滚指的是程序或数据处理错误，将程序或数据恢复到上一次正确状态的行为）。

也就是说，分支A恢复到攻击者发起第一笔交易之前的状态，攻击者之前换成现金的那些BTG又回到了自己手里。当然，这些BTG就是交易所的损失了。最后，攻击者把这些BTG，发到自己的另一个钱包。就这样，攻击者凭借51%以上的算力控制，实现同一笔token的“双花”。 

2.芬尼攻击（Finney attack）

“Finney”的名称来源于Hal Finney，Hal Finney是第一个描述双花攻击之0确认（未确认）交易的人。芬尼攻击主要通过控制区块的广播时间来实现双花，攻击对象针对的是接受0确认的商家。

假设攻击者挖到了区块，在区块中，包含了一笔交易信息，即地址1向地址2转了一定数量的token，不过这两个地址都是攻击者的。但是攻击者并不广播这个区块，而是立即找到一个商家，用他的地址1，把这些token发给商家的地址3。

发给商家的交易广播出去后，如果这个商家接受0确认，攻击者就把他自己之前挖到的区块广播出去，这时候发给自己的交易就先于发给商家的交易。对于攻击者来说，通过控制区块的广播时间，就实现了同一笔token的“双花”。

一般来说，为了节省时间而接受0确认，特别是对于大额交易而言，是非常不安全的，而且对于大额交易而言，多几次确认，将会降低交易被回滚的风险。

3.种族攻击（Race attack）

这种方式主要通过控制矿工费来实现双花。

比如，攻击者把一定数量的token发给一个商家，我们命名为分支A。如果商家接受0确认，那么攻击者就会再把这笔token发给自己的一个钱包，我们命名为分支B。

不过，攻击者在发给自己的这笔交易中，加了较高的矿工费，从而大大提高被矿工打包的概率（也可以说间接提高了攻击成功的概率）。如果攻击者发给自己的这笔交易被提前打包，这时候这笔交易就先于发给商家的交易，也就是分支B的长度超过分支A的长度，分支A上的交易就会被回滚。对于攻击者来说，通过控制矿工费，就实现了同一笔token的“双花”。

4. Vector76攻击

Vector76攻击，是种族攻击和芬尼攻击的组合，又称“一次确认攻击”，也就是交易即便有了一次确认，交易仍然可以回滚。

如果电子钱包满足以下几点，Vector76攻击就容易发生。这几点即钱包接受一次确认就支付；钱包接受其它节点的直接连接；钱包使用静态IP地址的节点。

具体攻击方式如下（感兴趣的可以点此查看）：

攻击者控制了两个全节点，全节点A只是直接连接到电子钱包这个节点，全节点B与一个或多个运行良好的节点相连。

然后攻击者将同一笔token进行了两笔交易，一个是发给攻击者自己在这个钱包（接下来要被攻击的）上的地址，我们命名为交易1，另一个是发给攻击者自己的钱包地址，命名为交易2。但是攻击者给交易1的矿工费，要远大于交易2的矿工费。攻击者并没有把这两笔交易广播到网络中去。 

然后攻击者开始在交易1所在的分支上进行挖矿，这条分支我们命名为分支1。攻击者挖到区块后，并没有广播出去，而是同时做了两件事：在节点A上发送交易1，在节点B上发送交易2。

由于节点A只连接到电子钱包的节点，所以当电子钱包节点想把交易1传给其它对等节点时，连接了更多节点的节点B，已经把交易2广播给了网络中的大部分节点。于是，从概率上来讲，交易2就更有可能被网络认定为是有效的，交易1被认定为无效。

交易2被认为有效后，攻击者立即把自己之前在分支1上挖到的区块，广播到网络中。这时候，这个接受一次确认就支付的钱包，会立马将token支付给攻击者的钱包账户。然后攻击者立马卖掉token，拿到现金。

由于分支2连接的更多节点，所以矿工在这个分支上挖出了另一个区块，也就是分支2的链长大于分支1的链长。于是，分支1上的交易就会回滚，钱包之前支付给攻击者的交易信息就会被清除，但是攻击者早已经取款，实现了双花。

5. 替代历史攻击（Alternative history attack）

如果商家在等待交易确认，alternative history attack就有机会发生，当然，这需要攻击者有较高的算力，对于攻击者来说，会有浪费大量电力的风险。

攻击者把一定数量的token发给一个商家，我们命名为分支A。同时攻击者又把这笔token发给自己的一个钱包，我们命名为分支B。在商家等待确认的时候，攻击者在分支B上进行挖矿。

商家在等待了N次确认后，向攻击者发送了商品。但是如果攻击者凭借高哈希率，挖到了N个以上的区块，那么，分支B的长度就超过分支A，分支A的交易就会被回滚，攻击者实现双花。如果攻击者挖到的区块数量没有超过N个，那么攻击失败。

Alternative history attack能够攻击成功的可能性在于两方面，一个是攻击者的算力在网络中的比例大小，另一个是商家等待的确认次数。比如，攻击者控制了网络中10%的算力，如果商家等待了2个确认，那么攻击成功的概率低于10%；如果商家等待了4个确认，那么攻击成功的概率低于1%；如果商家等待了6个确认，那么攻击成功的概率低于0.1%。由于该攻击存在的机会成本，所以如果代币交易金额与块奖励金额差不多，才有可能实现博弈。

目前，几个区块链项目的官方给出的解决方式，主要有如下几种：

1.提高确认次数。比如LCC建议将确认次数提高为 100个。

2.在共识机制方面改善。比如 LCC表示可能会引入PoS机制。

3.升级新的算法。比如Bitcoin Gold表示，正在开发新的 PoW算法以替代原有的 Equihash算法。

4.与交易所等合作。比如Bitcoin Gold立即与合作交易所合作，阻断黑客的套现渠道。

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