比特幣的雙花

A. 在區塊鏈中，雙花問題是什麼問題呢

• 什麼是雙花問題呢？

雙花問題，簡單講就是一筆錢能被花兩次三次很多次。為什麼雙花問題會成為比特幣系統裡面一個這么重要的問題呢？

原因就在於：比特幣，是虛擬貨幣，它是虛擬的，通過代碼形式呈現出來的，是可以被復制下來的。一旦被攻破了代碼漏洞，那麼就可以循環使用同一筆比特幣，這樣一來，比特幣這種「錢」就會變得很雞肋。

我們想一下，要是一筆錢可以花很多次，你有500塊錢，你去買一件500塊錢的衣服，還能循環使用，再去買一雙500塊錢的鞋，這樣一來，錢還能叫錢嗎？

所以，中本聰在設定比特幣系統的時候，他所有的技術手段基本上都是圍繞著解決

「雙花問題」的，來保護比特幣作為一種貨幣，它自身的一個支付手段職能。

其實，這個雙花問題在我們現在的中心化世界裡面根本不是問題，因為有銀行，錢的交易結算都是通過銀行，很安全，有問題直接找銀行。

但是，在去中心化世界裡面呢，沒有銀行這樣一個中心機構，還必須保證一筆錢只能花一次，怎麼樣實現在去中心化的前提下，杜絕「雙花問題」呢，這是一個難題。

這里插一句，中本聰為什麼如此執著的追求「去中心化」呢，自找煩惱嗎？不是，他希望能夠通過去中心化，來解決一些社會問題，其中最主要的問題就是：因為權力機構過量發行貨幣造成的通貨膨脹。

所以，我們總結一下他的邏輯：中心化的貨幣增發導致通貨膨脹——所以我們要實現去中心化——去中心化要面臨很多問題，最大的問題是雙花問題——所以我們要解決雙花問題——怎麼解決雙花問題？

這里，中本聰就引入了UTXO和「時間戳」概念，依靠這兩種手段來解決雙花問題。

B. 比特幣機制研究

現今世界的電子支付系統已經十分發達，我們平時的各種消費基本上在支付寶和微信上都可以輕松解決。但是無論是支付寶、微信，其實本質上都依賴於一個中心化的金融系統，即使在大多數情況這個系統運行得很好，但是由於信任模型的存在，還是會存在著仲裁糾紛，有仲裁糾紛就意味著不存在 不可撤銷的交易 ，這樣對於 不可撤銷的服務 來說，一定比例的欺詐是不可避免的。在比特幣出來之前，不存在一個 不引入中心化的可信任方 就能解決在通信通道上支付的方案。
比特幣的強大之處就在於：它是一個基於密碼學原理而不是依賴於中心化機構的電子支付系統，它能夠允許任何有交易意願的雙方能直接交易而不需要一個可信任的第三方。交易在數學計算上的不可撤銷將保護 提供不可撤銷服務 的商家不被欺詐，而用來保護買家的 程序化合約機制 也比較容易實現。

假設網路中有A, B ,C三個人。
A付給B 1比特幣 ，B付給C 2比特幣 ，C付給A 3比特幣 。
如下圖所示：

為了刺激比特幣系統中的用戶進行記賬，記賬是有獎勵的。獎勵來源主要有兩方面：

比特幣中每一筆交易都會有手續費，手續費會給記賬者

記賬會有打包區塊的獎勵，中本聰在08年設計的方案是： 每10分鍾打一個包，每打一個包獎勵50個比特幣，每4年單次打包的獎勵數減半，即4年後每打一個包獎勵25個比特幣，再過四年後就獎勵12.5個比特幣... 這樣我們其實可以算出比特幣的總量：

要說明打包的記錄以誰為準的問題，我們需要引入一個知名的 拜占庭將軍問題 （Byzantine failures）。拜占庭將軍問題是由萊斯利·蘭伯特提出的點對點通信中的基本問題。含義是在存在消息丟失的不可靠信道上試圖通過消息傳遞的方式達到一致性是不可能的。

假設有9個互相遠離的將軍包圍了拜占庭帝國，除非有5個及以上的將軍一起攻打，拜占庭帝國才能被打下來。而這9個將軍之間是互不信任的，他們並不知道這其中是否有叛徒，那麼如何通過遠距離協商來讓他們贏取戰斗呢？

口頭協議有3個默認規則：
1.每個信息都能夠被准確接收
2.接收者知道是誰發送給他的
3.誰沒有發送消息大家都知道
4.接受者不知道轉發信息的轉發者是誰
將軍們遵循口頭規則的話，那就是下面的場景：將軍1對其他8個將軍發送了信息，然後將軍2~9將消息進行轉達（廣播），每個將軍都是消息的接受者和轉發者，這樣一輪下來，總共就會有9×8=72次發送。這樣將軍就可以根據自己手中的信息，選擇多數人的投票結果行動即可，這個時候即便有間諜，因為少數服從多數的原則，只要大部分將軍同意攻打拜占庭，自己就去行動。
這個方案有很多缺點：
1.首先是發送量大，9個將軍之間要發送72次，隨著節點數的增加，工作量呈現幾何增長。
2.再者是無法找出誰是叛徒，因為是口頭協議，接受者不知道轉發信息的轉發者是誰，每個將軍手裡的數據僅僅只是一個數量的對比：

這里我們假設有3個叛徒，在一種最極端的情況下即叛徒轉發信息時總是篡改為「不進攻」，那麼我們最壞的結果就如上圖所示。將軍1根據手裡的信息可以推出要進攻的結論，卻無法獲知將軍裡面誰是叛徒。
這樣我們就有了方案二：書面協議。

書面協議即將軍在接受到信息後可以進行簽字，並且大家都能夠識別出這個簽字是否是本人，換種說法就是如果有人篡改簽字大家可以知道。書面協議相對比口頭協議就是增加了一個認證機制，所有的消息都有記錄。一旦發現有人所給出的信息不一致，就是追查間諜。
有了書面協議，那麼將軍1手裡的信息就是這樣的：

可以很明顯得看出，在最壞的一種情況——叛徒總是轉發「不進攻」的消息之下，將軍7、8、9是團隊里的叛徒。
這個方案解決了口頭協議里歷史信息不可追溯的問題，但是在發送量方面並沒有做到任何改進。

在我們的示例中，比特幣系統里的每個用戶發起了一筆交易，都會通過自己的私鑰進行簽名，用數學公式表示就是：

所以之前的區塊就變成了這樣：

這樣每一筆交易都由交易發起者通過私鑰進行數字簽名，由於私鑰是不公開的，所以交易信息也就無法被偽造了。

如書面協議末尾所說的那樣，書面協議未能解決信息交流過多的問題。當比特幣系統中存在上千萬節點的時候，如果要互相廣播驗證，請求響應的次數那將是一個非常龐大的數字，顯然勢必會造成網路擁堵、節點處理變慢。為了解決這個問題，中本聰乾脆讓整個10分鍾出一個區塊，這個區塊由誰來打包發出呢？這里就採用了工作量證明機制(PoW)。工作量證明，說白了就是解一個數學題，誰先解出來數學題，誰就能有打包區塊的權力。換在拜占庭將軍的例子中就是，誰先做出數學題，誰就成為將軍們裡面的總司令，其他將軍聽從他發號的命令。

首先，礦工會將區塊頭所佔用的128位元組的字元串進行兩次sha256求值，即：

這樣求得一個值Hash，將其與目標值相比對，如果符合條件，則視為工作量證明成功。
工作量證明成功的條件寫在了區塊鏈頭部的 難度數 欄位，它要求了最後進行兩次sha256運算的Hash值必須小於定下的目標值；如果不是的話，那就改變區塊頭的 隨機數 （nonce），通過一次次地重復計算檢驗，直到符合條件為止。

此外， 比特幣有自己的一套難度控制系統，使得比特幣系統要在全網不同的算力條件下，都保持10分鍾生成一個區塊的速率。這也就意味著：難度值必須根據全網算力的變化進行調整。難度調整的策略是由最新2016個區塊的花費時長與期望時長（期望時長為20160分鍾即兩周，是按每10分鍾一個區塊的產生速率計算出的總時長）比較得出的，根據實際時長與期望時長的比值，進行相應調整（或變難或變易）。也就是說，如果區塊產生的速率比10分鍾快則增加難度，比10分鍾慢則降低難度。

PoW其實在比特幣中是做了以下的三件事情。

這樣可以防止一台高性能機器同時跑上萬個節點，因為每完成一個工作都要有足夠的算力。

有經濟獎勵就會加速整個系統的去中心化，也鼓勵大家不要去作惡，要積極地按照協議本來的執行方式去執行。(所以說，無幣區塊鏈其實是不可行的，無幣區塊鏈一定導致中心化。)

也就是說，每個節點都不能以自身硬體條件去控制出快速度。現在的比特幣上平均10分鍾出一個塊，性能再好的機器也無法打破這個規則，這就能夠保證 區塊鏈是可以收斂到共同的主鏈上的 ，也就是我們所說的共識。

綜上，共識只是PoW三個作用中的一點，事實上PoW設計的作用有點至少有這么三種。

默克爾樹的概念其實很簡單，如圖所示

這樣，我們區塊的結構就大致完整了，這里分成了區塊頭和區塊體兩部分。

區塊鏈的每個節點，都保存著區塊鏈從創世到現在的每一區塊，即每一筆交易都被保存在節點上，現在已經有幾百個GB了。
每當比特幣系統中有一筆新的交易生成，就會將新交易廣播到所有的節點。每個節點都把新交易收集起來，並生成對應的默克爾根，拼接完區塊頭後，就開始調整區塊頭里的隨機數值，然後就開始算數學題

將算出的result和網路中的目標值進行比對，如果是結果是小於的話，就全網廣播答案。其他礦工收到了這個信息後，就會立馬放下手裡的運算，開始下一個區塊的計算。
舉個例子，當前A節點在挖38936個區塊，A挖礦節點一旦完成計算，立刻將這個區塊發給它的所有相鄰節點。這些節點在接收並驗證這個新區塊後，也會繼續傳播此區塊。當這個新區塊在網路中擴散時，每個節點都會將它作為第38936個區塊(前一個區塊為38935)加到自身節點的區塊鏈副本中。當挖礦節點收到並驗證了這個新區塊後，它們會放棄之前對構建這個相同高度區塊的計算，並立即開始計算區塊鏈中下一個區塊的工作。
整個流程就像下一張圖所展示的這樣：

簡單來說，雙花問題是一筆錢重復花了兩次。具體來講，雙花問題可分為兩種情況：
1.同一筆錢被多次使用；
2.一筆錢只被使用過一次，但是通過黑客攻擊或造假等方式，將這筆錢復制了一份，再次使用。
在我們生活的數字系統中，由於數據的可復制性，使得系統可能存在同一筆數字資產因不當操作被重復使用的情況，為了解決雙花問題，日常生活中是依賴於第三方的信任機構的。這類機構對數據進行中心化管理，並通過實時修改賬戶余額的方法來防止雙重支付的出現。而作為去中心化的點對點價值傳輸系統，比特幣通過UTXO、時間戳等技術的整合來解決雙花問題。

UTXO的英文全稱是 unspent transaction outputs ，意為 未使用的交易輸出 。UTXO是一種有別於傳統記賬方式的新的記賬模型。
銀行里傳統的記賬方式是基於賬戶的，主要是記錄某個用戶的賬戶余額。而UTXO的交易方式，是基於交易本身的，甚至沒有賬戶的概念。在UTXO的記賬機制里，除了貨幣發行外，所有的資金來源都必須來自於前面某一個或幾個交易。任何一筆的交易總量必須等於交易輸出總量。UTXO的記賬機制使得比特幣網路中的每一筆轉賬，都能夠追溯到它前面一筆交易。
比特幣的挖礦節點獲得新區塊的挖礦獎勵，比如 12.5 個比特幣，這時，它的錢包地址得到的就是一個 UTXO，即這個新區塊的幣基交易（也稱創幣交易）的輸出。幣基交易是一個特殊的交易，它沒有輸入，只有輸出。
當甲要把一筆比特幣轉給乙時，這個過程是把甲的錢包地址中之前的一個 UTXO，用私鑰進行簽名，發送到乙的地址。這個過程是一個新的交易，而乙得到的是一個新的 UTXO。
這就是為什麼有人說在這個世界上根本沒有比特幣，只有 UTXO，你的地址中的比特幣是指沒花掉的交易輸出。
以Alice向Bob進行轉賬的過程舉例的話：

UTXO 與我們熟悉的賬戶概念的差別很大。我們日常接觸最多的是賬戶，比如，我在銀行開設一個賬戶，賬戶里的余額就是我的錢。
但在比特幣網路中沒有賬戶的概念，你可以有多個錢包地址，每個錢包地址中都有著多個 UTXO，你的錢是所有這些地址中的 UTXO 加起來的總和。
中本聰發明比特幣的目標是創建一個點對點的電子現金，UTXO 的設計正可以看成是借鑒了現金的思路：我們可能在這個口袋裡裝點現金，在那個櫃子角落裡放點現金，在這種情況下不存在一個賬戶，你放在各處的現金加起來就是你所有的錢。
採用 UTXO 設計還有一個技術上的理由，這種特別的數據結構可以讓雙重花費更容易驗證。對比一下：

C. 比特幣出現漏洞，手把手帶你發起攻擊，萬一暴富了呢

針對所有的支付系統，有一種攻擊方式叫作 雙花攻擊 。所謂雙花攻擊就是指一筆資金被花費多次，攻擊者先將資金轉出，獲得收益後通過攻擊的手段撤銷該筆轉賬，讓資金重新回到攻擊者的賬戶上。那麼我們能否對比特幣發起雙花攻擊並從中獲利呢？答案是肯定的！下面讓我帶你一起對比特幣系統發起攻擊。

在帶領大家發起攻擊之前，我們需要先了解一下比特幣的轉賬原理，這是我們發起攻擊的預備知識。

在比特幣系統中，用戶想要發起一筆轉賬，首先要把轉賬信息組裝好，就像填寫銀行支票一樣，寫好付款方賬戶，收款方賬戶，轉賬金額，然後使用加密技術對轉賬信息簽名，我們把這種簽名好的轉賬請求叫作交易。交易被比特幣系統處理以後，付款方的賬戶就會被扣除指定金額，收款方的賬戶就會增加指定金額。

用戶的交易會被發送給比特幣系統中的節點，節點收到交易後將其放在一個新的區塊中，然後對這個區塊進行哈希計算，也就是之前文章所說的計算數學題。哪一個節點優先計算出了這個區塊的數學題答案，就獲得了這個區塊的打包權，被這個節點打包進區塊的交易就相當於成交了，然後所有的節點會在新區塊的基礎上開始計算下一個區塊的數學題。

知道了比特幣的轉賬原理，下面我們就來看一下比特幣的漏洞到底在哪裡！

剛才我們說誰先算出答案誰負責打包區塊，那如果有兩個節點同時做出了同一個區塊的答案該怎麼辦呢？為了解決這個問題，比特幣系統設計了一個特殊的機制，叫作最長鏈原則。

通過上面的描述我們可以看出，比特幣的這條鏈是有可能分叉的，分叉以後會以最長的鏈為准，那麼在較短的分叉上的區塊就被廢棄了。 這不正為我們攻擊比特幣系統帶來了可能性嗎！

你可能已經想到了，既然比特幣系統只認最長的那條鏈，我們是不是可以通過這樣的方式對比特幣進行雙花攻擊：

至此，你之前轉出的比特幣還在你的賬戶上，並且得到了你想要的東西，所以你的攻擊成功了。

對比特幣的攻擊真的這么簡單嗎？答案當然是否定的！雖然我們說可以通過上述方法對比特幣發起攻擊，但是攻擊是要付出代價的。

所以，如果你想要創建一個新的分叉，並且超過主鏈的區塊長度，那麼你需要比主鏈上所有節點的計算速度加在一起都要快。要想實現這樣的結果，唯一的做法就是你要收買比特幣系統中超過51%的節點算力，這就是比特幣的51%攻擊原理。

想要攻擊比特幣系統並不是不可能，但是需要付出的代價可能遠遠超過作惡所獲得的收益。在比特幣系統中，節點越多，算力越強，攻擊比特幣系統的成本就越高，比特幣系統就越安全。比特幣越安全，它的價值就越高，就會吸引更多的節點加入來競爭比特幣獎勵。更多的節點進一步促進了系統的安全性，這是一個正向循環。

51%攻擊不只是針對比特幣的，所有採用 工作量證明共識演算法 的區塊鏈都面臨著這個問題。對於已經日趨成熟的比特幣系統來說，攻擊比特幣確實是不劃算的，而且隨著系統節點的越來越多，攻擊比特幣幾乎成為了不可能的事情。但是一些新的鏈，在其剛起步的時候節點和算力還不多，這種攻擊確實是真實有效的，並且這種攻擊事件時有發生。

D. 「雙花」是什麼

POW演算法是唯一經過時間檢驗運行較為穩定的演算法，這從比特幣誕生到現在的較穩定的運行就可以看出。

上次說到POW的共識演算法的部分運作原理。把上次所講的內容簡單總結一下，那就是POW通過哈希加密演算法解決了「憑什麼幫你記賬」的問題。

其實，POW共識演算法的目的，是可以保證任意節點被入侵、篡改，其數據信息不會被其它節點所接受，換句話說，POW要通過運行機制保障主鏈的安全性。

因此，僅僅解決「憑什麼幫你記賬」的問題對一個成熟穩定的共識演算法來講還是遠遠不夠的，它還需要解決其它一些問題，比如雙花問題。

雙花問題（Double Spending）即雙重支付，是指一筆數字現金在交易中被重復使用的現象。我們都知道，數字現金的走向只能是線性的，也就是同一筆錢一次只能轉給一個人，不能同時轉給兩個或者以上的人。一旦數字現金的走向發生了偏差，離開了線性軌道的約束，成為發散狀態，那麼雙花問題就會出現。

舉個例子，小明一早出門只帶了10元錢，他來到肯德基吃早餐，點了10元的套餐，把錢付給了肯德基的收銀員，這10元錢得到收銀員的確認。小明吃完早餐出門，發現自己並沒有吃飽（小明飯量有點大），抬頭一看有個麥當勞，於是他走進麥當勞，想再點一個10元的漢堡。這時候，如果小明想用之前買肯德基套餐的那10元錢買麥當勞漢堡，可能嗎？當然不可能。因為那10元錢是獨一無二的（有編號)，已經被花出去了。

但如果小明使用的不是現金，而是數字貨幣呢？這就另當別論。這是因為現金的復製成本太高（法律成本、製作成本等等），而數字貨幣則不然，它具有十分經濟的可復制性，使得系統可能存在同一筆數字資產因不當操作被重復利用的問題。

雙花問題在有中介的前提下是不容易發生的，因為每次消費都要經過第三方（中介方）的確認才會完成，比如支付寶。

而比特幣作為一個去中心化的點對點現金系統，是沒有中介和第三方的，它主要依靠未花費的交易輸出（UTXO）和時間戳兩大利器來解決雙花問題。

未花費的交易輸出（UTXO）可以被簡單地理解為一個用戶擁有的比特幣的余額。這個余額是無法偽造的，因為一個用戶擁有的比特幣實際上會被當作UTXO分散到數百個交易和數百個區塊中。

雙花問題是這樣解決的：

首先每筆交易都要先確認對應的比特幣之前的情況，要檢查它是否存在於付款人的UTXO中。

其次，同一筆UTXO付出去，系統節點按照時間戳只會確認先接收到的那一筆。

最後，當兩筆時間上很近的交易被不同節點確認，區塊鏈將發生分叉。當其中一筆交易被6個節點確認後，它將獲得最終的確認，成為最長鏈。

本文僅供學習參考之用，不構成任何投資建議。

E. 入門科普：什麼是雙花

想要了解區塊鏈，首先要熟悉區塊鏈相關的各種名詞。就比如我們今天講到的「雙花」，可能有人就要問，雙花是什麼花？哈哈哈，開玩笑，讓我們來學習一下什麼是「雙花」吧。

01

「雙花」是什麼？

雙重支付又名「雙花」，也就是雙重花費的意思。 舉個例子：如果我錢包裡面有100元，我可以去購買等值的物品。當我去商店後，發現台燈和桌子都是100元，那我只能買其中一樣東西。而我們所說的雙花問題，正好與之相反，同樣的100元，我可以購買兩樣東西。

在加密貨幣系統中，由於數據的可復制性，使得系統可能存在同一筆數字資產被重復使用的情況 ，這也稱之為雙花，又叫雙重消費攻擊。

02

雙花問題是如何發生的？

在區塊鏈系統中，雙花問題會在以下情況下出現：

1、由於共識機制導致區塊確認時間長，用一個數字貨幣去進行一次交易，可以在這筆交易還未被確認完成前，進行第二筆交易。

2、 控制算力來實現雙花 ，第一次交易被驗證通過並被記錄入區塊後，在該網路中有更高的算力驗證出新的更長鏈條，在該鏈條中這筆錢被第二次花費，由於第二次花費的區塊鏈條更長使第一次交易區塊所在鏈條為無效鏈條，這樣一來，第一次交易所在的區塊鏈被區塊鏈網路放棄，第一次花費的錢就又回到自己賬戶了，就導致了雙花問題。

03

比特幣如何避免雙花問題？

為了解決雙花問題，我們日常的數字資產使用依賴於第三方信任機構進行。這類機構對數據進行中心化管理，並通過實時修改賬戶余額的方法來防止雙重支付的出現。而作為去中心化的點對點價值傳輸系統， 比特幣通過UTXO、時間戳等技術的整合來解決雙花問題。

1、首先每筆交易都要先確認對應比特幣之前的情況，要檢查它是否存在於用戶的UTXO中。如果不在，那麼該交易會被系統拒絕。

2、如果用戶用同一筆UTXO付給兩個人，系統中的節點只確認先接收到的那一筆。

3、當兩筆時間上很接近的交易被不同節點確認，區塊鏈將發生分叉。剩餘節點選擇在他們認為的最長鏈上構建新的區塊。

4、當其中一筆交易被6個節點確認後，它將成為系統最長鏈，可以認為這筆交易獲得了最終的確認。

F. 『雙花』攻擊

什麼是雙花？

「雙花」，即一筆錢被花了兩次或者兩次以上，也叫「雙重支付」。通俗的理解，「雙花攻擊」（double spend attack）又叫「雙重消費攻擊」，即同一筆資金，通過某種方式被花費了兩次，取得了超過該筆資金的服務。

在數字貨幣系統中，由於數據的可復制性，使得系統可能存在同一筆數字資產因不當操作被重復使用的情況。

雙花是如何發生的？

眾所周知，區塊鏈節點始終都將最長的鏈條視為正確的鏈條，並持續工作和延長它。如果有兩個節點同時廣播不同版本的新區塊，那麼將在率先收到的區塊基礎上進行工作，但也會保留另外一個鏈條，以防後者變成最長的鏈條。等到下一個工作量證明被發現，其中的一條鏈條被證實為是較長的一條，那麼在另一條分支鏈條上工作的節點將轉換陣營。

雙花簡單說就是花兩次。雙花是如何實現的呢？分為兩種情況：

（1）在確認前的雙花。零確認的交易本來就可能最後沒有寫入區塊鏈。除非小額，最好至少等確認即可規避此類雙花。

（2）在確認後的雙花。這就要控制超50%算力才能實施。即類似於一個小分叉，將給一個商店的交易放入孤立區塊中。這種確認後雙花，很難實施，只是理論上可行。

雙花攻擊案例

2018年曾經發生了比特幣黃金（BTG）的雙花攻擊。BTG當時是全球第27大加密貨幣，流通市值為50億人民幣。2018年5月16日以來，攻擊者對BTG網路成功實施了雙花攻擊，謀取了超過38.8萬的BTG的暴利。

攻擊者控制BTG網路上51%以上的算力，控制算力期間，把一定數量的BTG發給自己在交易所的錢包，這條分支我們命名為分支A。同時，又把這些BTG發給另一個自己控制的錢包，這條分支我們命名為分支B。分支A上的交易被確認後，攻擊者立馬賣掉BTG，拿到現金。隨後，攻擊者在分支B上進行挖礦，由於其控制了51%以上的算力，很快分支B的長度就超過了分支A的長度，分支B就會成為主鏈，分支A上的交易就會被回滾恢復到上一次的狀態。攻擊者之前換成現金的那些BTG又回到了自己手裡，這些BTG就是交易所的損失。這樣，攻擊者就憑借50%以上的算力控制，實現了同一筆加密貨幣的「雙花」。