双重支付问题：为什么安全的数字货币交易是一项挑战

数字货币的核心问题

在数字货币的世界中，存在一个根本性的风险，这威胁到整个系统的完整性：同一货币单位被多次发行的可能性。想象一下，爱丽丝获得了10个数字单位，她可以简单地复制和粘贴——突然间，她就有了100个单位。或者更严重的是：她同时将这10个单位发送给鲍勃和卡罗尔。如果没有强大的安全机制，这样的货币系统注定要失败，因为接收者永远无法验证收到的资金是否已经在其他地方被使用。

这一现象被称为“重复消费”——一种破坏数字支付系统信任的欺诈行为。因此，核心问题是：如何开发出能够有效防止这种双重支出的系统？

历史之路：集中化解决方案及其局限性

在去中心化技术出现之前，避免双重支付的途径是明确的：信任一个中央机构。密码学家大佬·查姆在1980年代初开发了一种名为eCash的突破性系统，基于他1982年关于盲签名的白皮书。

在乔姆的模型中，银行充当中介。假设丹想将100美元转换为数字货币。银行创建五张每张20美元的数字“钞票”。为了保持匿名，丹在将这些钞票提交给银行之前，为每张钞票添加了一个盲因子。银行用其签名确认每张钞票可以兑换20美元。

当丹后来在艾琳的餐厅支付40美元的餐费时，他展示了两张数字钞票。艾琳可以立即在银行兑换这些钞票——甚至在丹可能在其他地方花费之前。银行验证了签名，并将40美元存入艾琳的账户。所使用的钞票因此被不可逆转地“烧掉”。

这个系统的缺陷显而易见：银行仍然是一个中心脆弱点。钞票的价值完全依赖于银行愿意兑换它。客户被银行所左右，必须信任银行的好意——这正是去中心化的加密货币应该解决的问题。

革命性的答案：区块链和去中心化网络

比特币带来了范式转变。中本聪的比特币白皮书最大的创新并没有明确地被表述为解决双重支付的问题，但它正是展示了这一点：区块链。

区块链基本上是一种具有独特属性的分布式数据库。网络节点运行专门的软件，使它们能够保持其数据库副本的同步。因此，网络可以检查完整的交易历史，直到创世区块。由于该数据库是公开可见的，欺诈活动，如双重支付尝试，将立即显现并可以被阻止。

该过程如下：当用户发送交易时，该交易不会立即添加到区块链中。它必须首先由矿工纳入一个区块。因此，接收者应在该区块被附加后才将交易视为有效。每增加一个区块确认，修改或重写原始区块的计算工作量就会呈指数级增加——这一概念与防止51%攻击的保护密切相关。

在比特币世界中的一个实用场景

回到我们的例子：丹访问了艾琳的餐厅，并注意到窗户上的一个贴纸：“我们接受比特币”。他再次下单，账单为0.005 BTC。艾琳给了他一个公共地址，他将该金额发送到那里。

在这笔交易中，实质上是一条数字签名的消息，表明：之前属于Dan的0.005 BTC现在属于Erin。任何人都可以通过Dan的签名验证Dan确实拥有这些币，因此有权进行转移。

然而，交易只有在包含它的区块被确认后才有效。未确认的交易类似于在银行兑换之前的40美元电子现金：丹可能会在其他地方第二次使用相同的资金。因此，建议艾琳等待至少6个区块确认(大约一个小时)，然后再接受丹的付款。

双重花费的三种面孔：比特币的攻击向量

尽管比特币经过大量努力开发，以防止双重支付攻击，但仍然存在专门的攻击方法，尤其是针对接受未确认交易的用户：

**51%-攻击：**一个参与者或组织控制了超过50%的网络哈希率，从而可以排除交易或改变其顺序。在比特币中，这几乎是不可能的，但在其他网络中已经发生过。

竞争攻击 (竞赛攻击): 两个竞争的交易使用相同的资金依次发送——只有一个可以被确认。欺诈者试图确保只有对自己有利的交易被验证，而支付给第三方的交易被取消。

**Finney攻击：**一个矿工将一笔支付放入一个本地生成的区块中，但尚未将其发送到网络。与此同时，他在另一笔交易中花费相同的币，然后才传播他准备好的区块，从而使第一笔交易无效。

所有三种方法都要求接收方接受未确认的交易。等待区块确认的商家大大降低了这种风险。

为什么低交易价值是弱点

对于较小价值的销售，商家往往不愿意等到交易被打包进区块中。一个繁忙的快餐店无法承受在每次销售时等待网络确认。然而，如果它接受“即时付款”，就会受到攻击者的威胁：顾客可能会订购一个汉堡，支付0.0001 BTC，然后立即将相同的资金以更高的手续费发送到自己的地址。由于更高的手续费，第二笔交易会先被确认，第一笔无效——欺诈者将免费获得他的汉堡。

结论：老问题的技术解决方案

双重花费是指通过多次使用相同资金来操纵数字货币系统。虽然传统的集中式解决方案如盲签名长期以来是唯一的选择，但比特币通过工作量证明和区块链技术彻底改变了这一格局。这种去中心化的架构为无中央信任机构的安全数字支付奠定了基础，并随后激励了全球数千个加密货币项目。

教训很清楚：接受未确认的交易的人，也接受双重支付风险。区块确认不是可选的——它们是去中心化网络安全的基础。