雙花問(wèn)題詳解

• 2023年11月08日 21:32

什么是雙花問(wèn)題？

雙花問(wèn)題是數(shù)字現(xiàn)金系統(tǒng)中的潛在問(wèn)題，是指同一筆資金同時(shí)支付給兩位收款方。如果沒(méi)有適當(dāng)對(duì)策，僅憑協(xié)議無(wú)法徹底解決該問(wèn)題，畢竟用戶無(wú)從驗(yàn)證自己收到的資金是否還曾經(jīng)付給他人。

在數(shù)字現(xiàn)金領(lǐng)域，必須確保特定的貨幣單元不可復(fù)制。如果Alice可以接收10個(gè)貨幣單元，并復(fù)制粘貼10次，然后自己擁有了100個(gè)貨幣單元，那么整個(gè)系統(tǒng)將土崩瓦解。同樣，如果她能夠?qū)⑼还P10個(gè)貨幣單元同時(shí)發(fā)給Bob和Carol，那么系統(tǒng)同樣無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，必須有合適的機(jī)制防止這種情況發(fā)生，才能確保數(shù)字貨幣正常運(yùn)行。

如何防止雙花問(wèn)題？

中心化方式

中心化方式比Decentralization方案更容易實(shí)施，這通常需要設(shè)一名監(jiān)督者來(lái)管理系統(tǒng)并控制貨幣單元的發(fā)行和發(fā)放。大衛(wèi)·喬姆(David Chaum)的eCash就是通過(guò)中心化方式來(lái)解決雙花問(wèn)題的。 

銀行可使用盲簽名方式向用戶發(fā)行仿現(xiàn)金數(shù)字資產(chǎn)（可匿名點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易）。密碼學(xué)家大衛(wèi)·喬姆(David Chaum)于1982年發(fā)表的論文《不可追蹤支付的盲簽名技術(shù)》對(duì)此進(jìn)行了詳述。

在這種情況下，如果用戶Dan希望收款100美元的數(shù)字現(xiàn)金，必須先通知銀行。如果他賬戶有余額，就會(huì)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)（面額較小就生成多個(gè)）。假設(shè)生成了五個(gè)隨機(jī)數(shù)，每個(gè)數(shù)的價(jià)值為20美元。為防止銀行追蹤到特定的貨幣單元，Dan通過(guò)為每個(gè)隨機(jī)數(shù)增加盲因子來(lái)混淆視聽(tīng)。

然后，他將這些數(shù)據(jù)交給銀行，銀行從他的賬戶中扣除100美元余額，并對(duì)消息進(jìn)行簽名，證明五條信息各自可兌換20美元。這時(shí)，Dan就能使用銀行發(fā)行的數(shù)字現(xiàn)金了。他去到Erin的餐廳用餐，花費(fèi)40美元。 

Dan可以消除盲因子，公開(kāi)與每個(gè)數(shù)字現(xiàn)金“鈔票”相關(guān)的隨機(jī)數(shù)，該隨機(jī)數(shù)即為每個(gè)貨幣單元的唯一標(biāo)識(shí)符（大致等同于序列號(hào)）。他向Erin公開(kāi)其中兩個(gè)隨機(jī)數(shù)，Erin須立即向銀行兌換這筆資金，以防Dan支付給其他商戶。銀行會(huì)核實(shí)簽名是否有效，如果核對(duì)無(wú)誤，就向Erin的賬戶存入40美元。

用過(guò)的“鈔票”隨即銷(xiāo)毀，如Erin希望以同樣的方式使用賬戶余額，則須發(fā)行更多鈔票。

Chaumian eCash機(jī)制對(duì)私人轉(zhuǎn)賬極具價(jià)值。但是，eCash機(jī)制自身無(wú)抵御能力，由于銀行是中心化Node，一旦系統(tǒng)出錯(cuò)就一損俱損。銀行發(fā)行的鈔票本身沒(méi)有價(jià)值，價(jià)值完全源自銀行愿意把鈔票兌換成美元?？蛻羰苤朴阢y行，必須依靠銀行的信譽(yù)才能運(yùn)作資金。這正是加密貨幣旨在解決的問(wèn)題。

Decentralization方式

在沒(méi)有監(jiān)督機(jī)制的生態(tài)系統(tǒng)中避免雙花問(wèn)題的發(fā)生，更具挑戰(zhàn)性。權(quán)利相當(dāng)?shù)膮⑴c者必須按照同一套規(guī)則相互協(xié)調(diào)，以預(yù)防欺詐并激勵(lì)所有用戶誠(chéng)信行事。

BitcoinWhitepaper呈現(xiàn)的最大創(chuàng)新就是雙花問(wèn)題的解決方案。中本聰提出了一種史無(wú)前例的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即現(xiàn)在廣為人知的區(qū)塊鏈。

區(qū)塊鏈實(shí)際上只是具有某些獨(dú)特屬性的數(shù)據(jù)庫(kù)。網(wǎng)絡(luò)參與者（稱(chēng)為Node）運(yùn)行專(zhuān)門(mén)的軟件，讓Node之間相互同步自己的數(shù)據(jù)庫(kù)副本。這樣一來(lái)，全網(wǎng)都能審計(jì)可追溯到創(chuàng)世區(qū)塊的交易歷史記錄。由于區(qū)塊鏈可公開(kāi)查看，發(fā)現(xiàn)并防止欺詐行為就會(huì)變得更輕松，例如識(shí)別出試圖雙花的交易。

用戶發(fā)布交易時(shí)，不會(huì)立即添加到區(qū)塊鏈中，必須先通過(guò)work才能裝入?yún)^(qū)塊。因此，只有區(qū)塊入鏈，收款方才可確認(rèn)交易有效。否則，如果發(fā)送者把同一筆Tokens支付到其他地方，收款方將面臨損失資金的風(fēng)險(xiǎn)。 

交易一經(jīng)確認(rèn)，Tokens所有權(quán)便會(huì)分配給新用戶，并獲得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證，因此Tokens不得再雙花。出于這個(gè)原因，許多人建議在接受有效付款之前先等待多次確認(rèn)。每個(gè)后續(xù)區(qū)塊都會(huì)大大增加修改或重寫(xiě)鏈的工作量（例如發(fā)生51%攻擊的情況）。

讓我們回到餐廳的情境。Dan回到餐廳，這次注意到了窗口“本店支持Bitcoin支付”的貼紙。他對(duì)上次的用餐念念不忘，又點(diǎn)了同樣的食物，花費(fèi)0.005枚Bitcoin。 

Erin向Dan展示公共地址，即轉(zhuǎn)賬地址。Dan發(fā)布該筆交易，本質(zhì)上就是一條署名消息，宣告自己擁有的0.005枚Bitcoin現(xiàn)已歸Erin所有。無(wú)需過(guò)多細(xì)節(jié)，任何人看到Dan的簽名交易都可證實(shí)Tokens確實(shí)歸他所有，因此Dan有權(quán)發(fā)送。

然而如前所述，該交易只有裝入?yún)^(qū)塊獲得確認(rèn)后才有效。接收未確認(rèn)的交易就像此前接收40美元的eCash一樣，如果不立即通過(guò)銀行兌現(xiàn)，發(fā)送方可以將該筆資金花費(fèi)到其他地方。因此，Erin應(yīng)該至少等待6個(gè)區(qū)塊確認(rèn)（大約一小時(shí)）之后，再接受Dan的付款。

Bitcoin的雙花問(wèn)題

Bitcoin經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可防止雙花攻擊，至少在協(xié)議使用符合預(yù)期的情況下確實(shí)如此。也就是說(shuō)，如果有人正在等待某筆交易獲得區(qū)塊確認(rèn)，則發(fā)送者將無(wú)法輕易撤銷(xiāo)該筆交易。只有“反轉(zhuǎn)”區(qū)塊鏈，才能撤銷(xiāo)交易，這需要無(wú)比龐大的哈希算力。

然而，有些雙花攻擊專(zhuān)門(mén)針對(duì)接受未確認(rèn)交易的用戶。諸如小額購(gòu)買(mǎi)，商戶就不想等到交易裝入?yún)^(qū)塊。忙得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)的快餐店可能等不了網(wǎng)絡(luò)處理每筆交易所需的那么長(zhǎng)時(shí)間。因此，如果商家啟用了“即時(shí)”付款，就有可能面臨雙花問(wèn)題。有人可以在點(diǎn)了漢堡付完款后，立即又將同一筆資金發(fā)回自己的地址。只要后面那筆交易的手續(xù)費(fèi)用更高，就有可能先被確認(rèn)，繼而導(dǎo)致先前的交易失效。

目前有三種普遍的雙花攻擊：

51%攻擊：?jiǎn)蝹€(gè)實(shí)體或組織設(shè)法控制超過(guò)50%的哈希率，以此刪除或修改交易順序。這種攻擊在Bitcoin網(wǎng)絡(luò)發(fā)生的幾率微乎其微，但在其他網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生過(guò)。

競(jìng)爭(zhēng)攻擊(Race attack)：使用同一筆資金連續(xù)發(fā)布兩筆有沖突的交易，但僅一筆交易得到確認(rèn)。攻擊者的目標(biāo)是通過(guò)驗(yàn)證對(duì)自己有利的交易讓另一筆支付失效。例如，將資金發(fā)送到他自己控制的地址。競(jìng)爭(zhēng)攻擊一般會(huì)讓接收方接受一筆未確認(rèn)的交易作為付款。

芬尼攻擊(Finney attacks)：攻擊者預(yù)先work一筆交易放入?yún)^(qū)塊，但并不立即發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中。相反，他將同一筆Tokens支付到另一筆交易中，然后才發(fā)布之前已挖出的區(qū)塊，從而使支付無(wú)效。芬尼攻擊的必要條件是事件按照特定順序發(fā)生，能否成功還取決于收款方是否接受未確認(rèn)的交易。

正如我們所見(jiàn)，商戶只要耐心等待區(qū)塊確認(rèn)，就能大大降低風(fēng)險(xiǎn)，避免成為雙花受害者。

總結(jié)

用戶可以利用雙花攻擊篡改點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)，多次利用同一筆資金，謀取不當(dāng)?shù)美?。以往由于這個(gè)問(wèn)題不得不到很好的解決，該領(lǐng)域的發(fā)展一直裹足不前。

然而萬(wàn)幸的是，盲簽名的使用成為了中心化金融方案中一個(gè)令人矚目的解決方案。緊隨其后，工作量證明機(jī)制和區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展催生出Bitcoin這種強(qiáng)大的Decentralization貨幣形式，繼而又為數(shù)以千計(jì)的加密貨幣項(xiàng)目提供了靈感。

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