前言
在數位貨幣的世界中，安全性是最基本也是最重要的考量因素。與實體貨幣不同，數位貨幣本質上是一串數位資料，理論上可以被複製和重複使用[1]。這就引出了「雙花問題」—如何確保同一枚數位貨幣不會被花費兩次？這個問題是數位貨幣發展初期面臨的最大挑戰之一。
雙花攻擊對整個區塊鏈生態系統的穩定性和可信度構成了嚴重威脅。如果無法有效防止雙花攻擊，用戶將無法信任區塊鏈網路上的交易，進而影響整個生態系統的發展。因此，理解雙花攻擊的本質、運作方式以及防禦機制，對於任何想要進入區塊鏈世界的新手來說都是至關重要的基礎知識。
什麼是雙花攻擊？
雙花攻擊的基本定義
雙花攻擊是指在區塊鏈網路中，攻擊者試圖將同一筆加密貨幣用於多筆交易，實際上是重複使用相同的代幣。簡單來說，就是攻擊者想辦法讓系統認為他們沒有花費過某筆資金，從而可以再次使用這些資金。
雙花攻擊與現金、傳統支付系統的差異
在實體世界中，當你用一張紙鈔購買商品時，這張紙鈔就會離開你的錢包，物理上不可能同時用於另一筆交易。傳統電子支付系統如信用卡或銀行轉帳，則依靠中央機構（如銀行）來驗證和記錄交易，防止重複支付。
而在去中心化的區塊鏈系統中，沒有中央機構監督交易，所有交易都需要通過網路中的節點達成共識來驗證。這種結構雖然提供了去中心化的優勢，但也為雙花攻擊創造了可能性。
雙花攻擊的原理與簡單舉例
讓我們通過一個簡單的例子來理解雙花攻擊：
假設小明擁有10個加密貨幣單位。他向小華的網店發送了5個單位購買商品。在小華確認收到付款前，小明又將同樣的5個單位發送給小李以獲取退款。如果這兩筆交易同時被處理，小明就成功地將同一筆資金花費了兩次，這就是雙花攻擊。
雙花攻擊是如何發生的？
攻擊者常用的手法
快速連續交易
攻擊者可以在短時間內發送兩筆使用相同資金的交易，希望網路先確認對自己有利的那筆交易。這種方法利用了區塊鏈網路中交易確認的時間差。
使用多個身份
攻擊者可以創建多個節點或身份（稱為女巫攻擊），試圖增加自己在網路中的影響力。通過控制多個身份，攻擊者可以更容易地操縱交易確認過程。
控制多個節點
如果攻擊者能夠控制網路中的大量節點，他們就可以影響交易的驗證和確認過程。這種方法通常與51%攻擊相關，我們將在後面詳細討論。
雙花攻擊的流程
- 攻擊者發起一筆合法交易，將加密貨幣發送給商家
- 在交易被完全確認前，攻擊者同時發起另一筆交易，將相同的加密貨幣發送到自己控制的另一個地址
- 攻擊者使用各種技術（如控制算力或利用網路延遲）使第二筆交易被優先確認
- 如果成功，第一筆交易將被視為無效，商家不會收到付款，而攻擊者保留了資金
雙花攻擊的主要種類
51% 攻擊（網路算力攻擊）
51%攻擊是最著名的雙花攻擊方式，發生在攻擊者控制了區塊鏈網路中超過50%的算力或驗證能力時。擁有這種控制力，攻擊者可以：
- 阻止新交易獲得確認
- 逆轉已經完成的交易
- 進行雙花攻擊
這種攻擊對大型網路（如比特幣）來說難度較高，但對較小的區塊鏈網路構成嚴重威脅。
競賽攻擊（Race Attack）
競賽攻擊利用交易廣播和確認之間的時間差。攻擊者同時發送兩筆衝突的交易，希望對自己有利的交易先被確認。這種攻擊主要針對接受未確認交易的商家。
芬尼攻擊（Finney Attack）
芬尼攻擊以早期比特幣貢獻者哈爾·芬尼（Hal Finney）命名。在這種攻擊中，攻擊者預先挖出一個包含將資金發送給自己的交易區塊，但不立即廣播。然後，攻擊者用同樣的資金向商家發起交易，在商家接受未確認交易後，攻擊者才發布預先挖好的區塊，使商家的交易失效。
其他相關手法簡介
- 向量76攻擊（Vector76 Attack）：這是競賽攻擊的一種高級形式，攻擊者創建區塊鏈的分叉，在原始鏈上發送一筆交易，同時在分叉鏈上廣播不同的交易。
- 女巫攻擊（Sybil Attack）：攻擊者創建多個節點以增加在網路中的影響力，可能與雙花攻擊結合使用。
區塊鏈如何預防雙花攻擊？
健全的共識機制（PoW、PoS 等）
共識機制是區塊鏈防止雙花攻擊的核心。最常見的兩種機制是：
- 工作量證明（Proof of Work，PoW）：要求礦工解決複雜的數學問題來驗證交易，使得攻擊成本高昂。
- 權益證明（Proof of Stake，PoS）：驗證者需要質押一定數量的加密貨幣作為抵押，如果行為不誠實將失去質押的資產。
Nonce 與時間戳記的作用
在區塊鏈中，每個區塊都包含一個隨機數（Nonce）和時間戳記：
- Nonce是礦工在挖礦過程中嘗試的隨機數，用於解決工作量證明的數學問題。
- 時間戳記記錄了區塊被挖出的時間，用於維護交易的時間順序，確保交易不能被篡改或逆轉。
這些元素共同確保了區塊鏈的安全性和交易的不可逆性。
提高節點運營門檻
增加運行節點的技術和經濟門檻可以減少惡意節點的數量。例如，要求節點運營者質押大量資金或使用特定硬體，可以提高攻擊成本，降低攻擊可能性。
智能合約與協議審計
智能合約審計是確保區塊鏈應用安全的重要步驟。專業審計團隊會檢查合約代碼中的漏洞和安全風險，防止可能導致資金損失的問題。定期審計和更新可以顯著提高系統安全性。
中央監督的利弊
雖然中央監督可以更有效地防止雙花攻擊，但這與區塊鏈去中心化的核心理念相矛盾。中央監督的優點是可以快速識別和阻止可疑交易，但缺點是引入了單點故障風險和對中央機構的依賴。
真實案例分享
比特幣黃金（BTG）雙花攻擊事件
2020年1月，比特幣黃金遭遇了51%攻擊，導致約7萬美元的BTG被雙花。攻擊者在兩天內進行了兩次攻擊：
- 第一次攻擊移除了14個區塊並替換為13個區塊，雙花了1,900 BTG（約19,000美元）。
- 第二次攻擊移除了15個區塊並替換為16個區塊，雙花了5,267 BTG（約53,000美元)。
這次攻擊之所以成功，部分原因是比特幣黃金使用的挖礦算法（Zhash）使得攻擊成本相對較低，估計每次重組攻擊的成本僅約1,700美元。
以太坊經典（ETC）雙花攻擊事件
2019年1月，以太坊經典遭遇了深度鏈重組攻擊，導致約50萬美元的雙花。加密貨幣交易所Coinbase檢測到這一攻擊並立即暫停了ETC交易以保護客戶資金。
攻擊者進行了多次深度鏈重組，包含雙花交易，總價值達88,500 ETC（約46萬美元）。這次攻擊突顯了較小區塊鏈網路面臨的安全挑戰。