区块链如何杜绝双重支付？

摘要： 什么是双重支付？双重支付，顾名思义，就是指同一笔数字资产被花费了两次或更多次，在现实世界中,你花掉一张100元的纸币后，这张纸币就到了别人手里，你不可能再用它去购买其他商品，因为纸...

什么是双重支付？

双重支付，顾名思义，就是指同一笔数字资产被花费了两次或更多次。

在现实世界中,你花掉一张100元的纸币后，这张纸币就到了别人手里，你不可能再用它去购买其他商品，因为纸币是物理实体，具有唯一性，并且有银行、国家信用等中心化机构作为背书，防止你复制它。

在数字世界里,数据可以被轻易地复制，一个计算机文件（如一张图片、一首MP3）可以被无限次复制而几乎不产生成本，数字货币（如比特币的“聪”）本质上也是一串数据，如果没有一个可靠的机制，理论上你就可以将同一笔数字货币同时发送给A和B，导致他们都以为收到了钱，但实际上这笔钱只被真实支付了一次。

简单例子： 你钱包里有1个比特币（价值100元）。

1. 你将这1个比特币发送给商家A,用于购买一台电脑。
2. 在商家A确认收到比特币之前,你立刻将同一个1个比特币发送给商家B，用于购买一部手机。

如果没有任何防篡改机制,A和B的账本上都会显示他们收到了你的1个比特币，但实际上你只有1个比特币，这就造成了双重支付，商家A或B中必然会有一方遭受损失。

双重支付是区块链要解决的核心问题

可以说,如何在不依赖中心化权威机构的情况下，有效解决双重支付问题，是区块链技术诞生的初衷和核心价值所在。

在比特币出现之前,人们尝试过一些方法，但都有明显缺陷：

1. 中心化方案（如银行）：传统的电子支付系统依赖银行等中心化机构，每一笔交易都必须经过银行验证和记账，银行维护一个统一的、不可篡改的总账，确保每一笔钱只被花一次，但这个方案的缺点是：

   • 单点故障：一旦银行系统被攻击或宕机，整个网络就会瘫痪。
   • 成本高昂：需要维护庞大的服务器和人员，交易手续费高。
   • 效率低下：跨境支付需要多个中介机构，速度慢。
   • 缺乏隐私：所有交易数据都由中心机构掌握。

2. 基于“可重复使用优惠券”的方案：早期的数字货币方案（如DigiCash）试图通过“盲签名”等技术创建一种只能使用一次的“数字硬币”，但这套系统非常复杂，且依赖于发行方，本质上还是中心化的。

   

比特币的创始人中本聪在其创世白皮书中,开篇就明确指出了这个问题，并提出了一个革命性的解决方案：去中心化的、基于工作量证明的区块链。

区块链如何防止双重支付？

区块链通过以下几个核心机制的结合,构建了一个强大的防双重支付系统：

分布式账本

• 机制：区块链网络中的每一个节点（参与者）都保存着一份完整的、同步的账本副本。
• 作用：账本不再是中心机构独有，而是分布式的，这意味着攻击者无法通过攻击单一的中心服务器来篡改记录，想要篡改交易，需要同时控制网络中超过51%的节点，这在大型公链（如比特币、以太坊）上是几乎不可能完成的任务。

交易与区块

• 机制：每一笔交易（如“张三给李四0.1个比特币”）都会被打包进一个“区块”中，区块按时间顺序链接，形成“区块链”。
• 作用：交易不再是孤立的，而是被记录在公开、透明的链条上，任何人都可以查询到一笔资金的完整历史流向，确保它在被花费之前没有被其他人花掉。

共识机制

这是防止双重支付最关键的一环,共识机制是所有节点就“哪个区块是合法的最新区块”达成一致的方法，最著名的是工作量证明。

• 机制（以比特币为例）：

  1. 广播交易：你发起一笔交易，向全网广播。
  2. 进入内存池：交易被网络中的节点接收，暂时存放在一个叫“内存池”（Mempool）的地方，等待被打包。
  3. 矿工打包：矿工节点从内存池中选择一系列有效交易，将它们打包成一个候选区块。
  4. 竞争记账权：矿工们开始进行极其复杂的数学运算（“挖矿”），第一个算出正确答案的矿工获得“记账权”（即出块权）。
  5. 广播新区块：获胜的矿工将新区块广播给全网。
  6. 验证与确认：其他节点收到新区块后，会验证其中所有交易的有效性（包括是否双重支付），如果验证通过，大家就接受这个新区块，并将其链接到自己的区块链上。

• 作用：共识机制确保了在任何时刻，整个网络只承认最长的那条有效链为“真”的链，一旦你的交易被打包进一个区块，并且后续又链接了更多的区块，这条链就变得更长，你的交易也就被“确认”了，要撤销这笔交易，攻击者需要重新计算从该区块开始的所有后续区块的哈希，并且要算得比全网其他矿工都快，这在计算上是不可行的。

交易UTXO模型（以比特币为例）

比特币采用了一种叫做“未花费交易输出”（Unspent Transaction Output, UTXO）的会计模型，这从结构上就天然地防止了双重支付。

• 机制：

  • 比特币账户不直接存储“余额”，而是由一系列“UTXO”组成。
  • 每一笔接收到的比特币（比如你收到了10个比特币）都会生成一个或多个UTXO，就像你收到了一张面值为10元的“钞票”。
  • 当你支付时,你必须花费整张“钞票”，然后找零，你用一张10元的“钞票”去买一个8元的东西，你需要创建一笔新的交易，将8元支付给商家，剩下的2元作为找零，返回给你，形成一个新的UTXO。

• 作用：这个模型强制了“所有权”的转移，你无法花费一个已经被花费掉的UTXO，因为一旦一个UTXO被用于支付，它就会被标记为“已花费”，并从你的可用UTXO集合中移除，网络中的节点在验证交易时，会检查输入（你花费的UTXO）是否确实存在且未被花费，如果已经被花费，交易就会被拒绝。

双重支付攻击的可能性与现实

尽管区块链机制强大,但双重支付攻击在理论上并非完全不可能，其难度和后果取决于区块链的类型和规模。

1. 在大型公链上（如比特币、以太坊）：

   • 51%攻击：这是最著名的一种双重支付攻击，如果一个攻击者（或一个联盟）控制了网络超过51%的算力（或权益），他就可以重新组织区块链，撤销自己已经完成的交易，然后用自己的版本链覆盖掉主链，从而实现双重支付。
   • 现实情况：对于比特币和以太坊这样的巨型网络，发动51%攻击的成本是天文数字，几乎不可能实现，在主网上，一旦交易得到6个以上的确认，它被认为是不可逆的，双重支付风险极低。

2. 在小型或新兴的区块链上：

   一些新兴的、算力或权益规模较小的区块链（比如某些山寨币或测试网）更容易受到51%攻击，历史上确实发生过一些小型加密货币被51%攻击，导致大量双重支付事件，最终导致币价崩溃。

3. 支付确认的重要性：

   这为什么商家在收到比特币付款时,会等待“1个确认”、“6个确认”甚至更多？因为每增加一个确认，就意味着在最长有效链上又多了一个区块，攻击者要回滚交易的成本和难度就呈指数级增长，6个确认后，双重支付的风险已经微乎其微。

双重支付是数字货币的“阿喀琉斯之踵”，而区块链技术通过其精巧的去中心化设计，为这个问题提供了一个迄今为止最强大、最可靠的解决方案，这也是其颠覆性价值的核心体现。