双花攻击及其技术细节——哈尔滨工程大学计算机学院2024年区块链技术课程

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声明：本文为哈尔滨工程大学计算机学院2024年区块链技术课程研讨部分

作者 —— Suzuya（学号2021065413）

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前言

Satoshi Nakamoto于2008年发布的《比特币白皮书》，随后在2009年1月3日，Satoshi Nakamoto开采了比特币区块链的第一个区块——Genesis Block。加密货币逐渐进入公众视野，成为金融科技领域的重要创新。截止2024年6月8日，加密货币行业总市值已经达到了2.55万亿美元。

图1 加密货币总市值变化

但在加密货币发展的历程中，双花攻击（Double-Spending Attack）一直是一个核心技术挑战。对于不同的加密货币，防范双花攻击也采取了不同的策略。

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一、双花问题简介

双花，即双重支付，指的是在数字货币系统中，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，简单来说，同样一笔数字资产被重复支付，即同样一笔钱被花掉两次或多次。

在传统的物理现金支付方式中，由于现金的物理属性，在我们将其支付给另一个人之后，不可能二次支付给其他人，所以传统的物理现金支付方式具有天然的防止双花的功能。

对于中心化的数字货币，如由中央银行发行的数字货币，可以通过对于每个数字赋予编号，并记录该编号货币所属的持有者，在支付过程中中央银行对持有者进行更改，从而避免了双花攻击。所以中心化的数字货币，其防范双花攻击是通过发行机构的技术手段与信誉背书。

但对于去中心化的加密货币，以上两种方案显然不适合。

图2 双花过程

二、加密货币防范双花攻击

比特币中，每笔交易都包含了输入和输出两部分，输入部分要包含币的来源，输出部分要包含收款人的公钥哈希。基于此，我们可以追溯每一笔交易中币的来源，从而防止双花。

但存在一种情况，如此时我们的区块链如图所示：

存在某个矿工，在获得了记账权（矿工获得记账权的方式讲解请见本文最后部分）后，发布了另一个区块：

如果一个用户甲在区块A中将比特币转给一个用户乙，其在区块B中可以将上一笔交易支付的比特币重新转给另一个用户丙（追溯源头时，只追溯A区块之前的区块，所以该交易会被判定合法），此时也可以实现双花攻击，这种双花攻击也被称为分叉攻击（forking attack）。此时会根据最长合法链原则，会选择最长链作为最终的区块链，而较短的链会被丢弃。

区块链在正常情况下，也会出现分叉，如两个节点同时获得记账权（矿工获得记账权的方式讲解请见本文最后部分）。

此时根据最长合法链原则，抢先拓展出下一个区块的子链，将成为合法链。但是，这就引发了一个问题，很可能存在恶意矿工通过较强的算力，抢先一步挖出下一个区块，但比特币的首要目的是要让合法的交易都被写入区块，而不是比拼算力。

防范这种攻击，我们可以多等几个区块的方式，通常建议在交易被确认6次后（即6个区块之后），交易就被认为是不可逆的。平均每个区块出块时间为十分钟（对于比特币如何长期保持十分钟的出块时间，可见本文最后），则在一个小时后，可认为该区块是不可篡改的。

还存在一种情况，当一个矿工掌握了全球51%的算力后，可以发动51%攻击，使得其链的生长速度快于另一条链，实现将另外一条链的淘汰。但51%攻击并不是万能的，51%攻击可以实现双花（将自己之前的交易回滚），或是封锁交易（当发布一个包含某个账户交易的区块时，立刻发布一个不包含该交易的区块，实现对于该账户的封锁）；但是51%攻击无法实现将别人账户的比特币转到自己的账户，这是因为发布交易需要该账户的私钥，而攻击方并不知道对方的私钥，无法伪造签名，所以无法盗币。

三、对于细节的解释

1. 如何获得记账权：

获得记账权的过程就是我们常说的的挖矿，本质是去寻找一个nonce，中文翻译叫做随机数，将这个nonce与区块块头其他信息结合，进行哈希计算，得到的哈希值要小于某个给定的阈值target。公式如下：

即哈希值落在某个target-space。我们的目标就是找到一个nonce，使计算所得到的值落在这个空间内。所以挖矿的过程本质是寻找nonce的过程。当矿工的算力越强，其找到nonce的可能性也就越大。

2.比特币如何在全球算力提升的情况下，保持其挖矿时间

从上面的公式我们可以看出，当target越小，说明target-space越小，取得nonce的可能性越小，挖矿的难度越大。

同时，通过难度调整公式：

使得当实际挖矿时间actualtime小于目标时间expectedtime时，减小target，实现了挖矿难度difficult的增大，进而实现了挖矿时间不随总算力Total Hashrate的提高而就降低，从而保证了该过程可以作为工作量证明。但也导致了比特币挖矿过程属于算力密集型。