51 attack

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当前网络算力 (Current Network Hashrate):

每秒 958,292,360,507,524,907,008 次哈希运算

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51% 攻击是指故意构建一个新的最长链以替换区块链中已有区块的行为。这允许您替换那些此前已写入区块链的交易。

当您拥有大多数挖矿算力 (majority of the mining power)时，这种攻击最容易实施，这就是为什么它被称为“多数攻击 (majority attack)”或“51% 攻击”。

攻击方法¶

51% 攻击是如何进行的？

节点总是将已知的最长链视为区块链的有效版本。因此，如果您想在区块链中“撤销”一笔交易，您只需要构建一个新的、更长的区块链接，而在该链接中不包含那笔交易。

假设我们用比特币买了一辆车并把它开走了。

当节点收到这个新的更长的区块链接时，它们会执行一次区块重组以停用其旧最长链中的区块，并激活您构建的新最长链中的区块。

旧最长链中的交易现在失效了。这就好像购买这辆车的付款从未发生过一样。

因此，通过构建一个新的最长链来替换已有的最长链，您实际上是在重写区块链，并创建了一个网络上的所有节点都将采用的新交易历史。结果，您逆转了我们此前认为已永久成为区块链一部分的交易。

但成功实施 51% 攻击并不容易。

您会希望在新链中包含一笔替代交易，将比特币发送到新的目的地（例如，发送到您的地址而不是汽车经销商的地址）。否则，原始交易可能会在新链中被重新开采。

防范¶

如何防范 51% 攻击？

每个矿工都有动力在当前最长的区块链接之上继续构建。因此，如果网络上所有其他矿工的合并挖矿算力大于您的算力，那么要超越其他矿工的工作量去构建一条更长的链并替换已有链就会变得极其困难。

矿工们协同工作，可以比您独自一人更快地构建起区块链。

但当然，如果您确实能获得比所有其他矿工合并起来更多的挖矿算力，那么您就有能力赶超当前的最长链，并构建一条新的最长链供所有人采用。

如果您拥有大多数的挖矿算力，那么构建出一条更长的链只是时间问题。

因此，为了防范这种情况的发生，我们希望使单个矿工难以获得大多数的挖矿算力。这是通过允许世界上任何人参与挖矿，并提供区块奖励作为动力在已知最长链上继续构建来实现的。

区块奖励只有在最长链中达到 100 个区块深之后才能被消费。

结果，矿工们将精力集中在构建同一条链上，从而使任何个人试图重写区块链中区块的行为变得困难（或至少非常昂贵）。

只要大多数的 CPU 算力被不协同向网络发起攻击的节点所控制，它们就会生成最长链并超越攻击者。

中本聪, 比特币白皮书

可行性¶

实施 51% 攻击有多困难？

实施 51% 攻击最棘手的部分首先在于获得执行攻击所需的所有硬件，因为这将是极其昂贵的。

然而，如果您确实设法获得了大多数的挖矿算力，那么构建出一条新的最长链仅仅是时间问题。

话虽如此，要替换较大数量的区块比只替换几个区块需要做更多的工作。因此，交易在区块链中沉淀得越深，逆转它所需要花费的时间和能量就越多。

交易在区块链中陷得越深，就越难以被替换。

但同样，这是假设您可以获得硬件以达到 51% 或更多的挖矿算力来超越所有其他矿工。

尽管如此，您仍然可以尝试以低于 50% 的挖矿算力执行此类攻击，但胜算会非常小……

概率¶

您能在拥有低于 50% 挖矿算力的情况下重写区块链吗？

挖矿算力

%

随机示例

0 秒

在没有占大多数挖矿算力的情况下重写区块链是可能的，但您需要运气。

挖矿是不可预测的，因此即使您只有少量的挖矿算力，也不能断定您运气不够好而无法连续开采接下来的 2 个区块。这虽然不太可能，但并非不可能。概率取决于您相对于其他人拥有多少挖矿算力。

当然，交易在区块链中沉淀得越深，您连续开采 X 个区块所需要的运气就越多。如果在没有人拥有大多数挖矿算力的情况下，交易在区块链中沉淀得越深，替换它的难度就会呈指数级增加。

如果一个矿工拥有 40% 的挖矿算力，他们大约有 50% 的机会能替换掉在链中深达 5 个区块的交易。

因此，除非您在比特币网络中占有很大比例的算力，否则您替换掉已被开采交易的几率非常渺茫，并且随着交易进一步深入链中，这些几率会迅速减小。

以下是您确切几率的表格：

基于挖矿算力百分比替换区块链中顶部 X 个区块的概率。

区块数 (z)	50%+ 算力控制	40% 算力控制	30% 算力控制	20% 算力控制	10% 算力控制
1	100%	73.6%	44.6%	20.4%	5.1%
2	100%	66.4%	32.5%	10.3%	1.3%
3	100%	60.3%	23.9%	5.3%	0.4%
4	100%	55.0%	17.7%	2.7%	0.1%
5	100%	50.4%	13.2%	1.4%	0.02%
6	100%	46.2%	9.9%	0.7%	0.006%
7	100%	42.5%	7.4%	0.4%	0.001%
8	100%	39.1%	5.6%	0.2%	0.0004%
9	100%	36.0%	4.2%	0.1%	0.0001%
10	100%	33.2%	3.1%	0.06%	0.00003%

上表中的数字假定您正试图通过构建一条比当前最长链长一个区块的备选链来替换区块。

数学公式¶

能够重写区块链中区块的概率是您拥有多少挖矿算力以及您想尝试替换多少个区块的函数。

以下是来自比特币白皮书（第 11 节）的公式：

区块越深越难被替换的证明是系统完整性和安全性的重要部分。

无论如何，这就是该公式在 Ruby 代码中的实现：

# p = probability honest node finds the next block
# q = probability attacker finds the next block
# z = number of blocks to catch up

def attacker_success_probability(q, z)
  p = 1 - q
  lambda = z * (q / p) # expected number of occurrences in the poisson distribution
  sum = 1.0

  for k in 0..z
    poisson = Math.exp(-lambda) # exp() raises e (natural logarithm) to a number
    for i in 1..k
      poisson *= lambda / i
      puts poisson
    end

    sum -= poisson * (1 - (q/p)**(z-k) )
  end

  return sum
end

# Example
puts attacker_success_probability(0.4, 5) #=> 0.5506251290702077

上述公式计算了（在落后指定数量的区块时）追赶上最长链的概率。如果您想替换链中的区块，您需要比其多出一个区块。

图表¶

交易在区块链中埋得越深，被替换的成功概率就呈指数级衰减。

常见问题¶

是否有人曾对比特币成功发起过 51% 攻击？¶

没有，从来没有过。

在比特币的历史上，一些矿池曾接近达到总算力的 50% 或更多，但实际上没有人发起过成功的 51% 攻击。

GHash.io 在 2014 年曾接近达到 50%。
github.com/in3rsha/bitcoin-mining-distribution

即使矿工获得了超过 50% 的算力，也不一定意味着他们真的会发起攻击；这只意味着他们能够这样做。无论如何，如果您拥有如此巨大的算力，继续挖矿并赚取区块奖励可能比逆转单笔交易（并因此让您的攻击导致比特币价值暴跌）更赚钱。

我需要多少算力才能发起 51% 攻击？¶

您可以使用当前的target值来估计获得网络控制权所需的算力大小。

目标值根据网络上所有矿工开采新区块的速度而上下浮动。因此，我们可以利用它来计算我们需要以多快的速度进行哈希，从而超越网络当前的速度。

1. 查找当前目标值¶

首先，我们可以通过查看最近挖掘出的区块的区块头中的“bits”字段来获取当前的目标。

$ bitcoin-cli getblockcount
956479

$ bitcoin-cli getblockhash 956479
000000000000000000005af9d7cca01756b552b02e5f5fac6422864439807264

$ bitcoin-cli getblockheader 000000000000000000005af9d7cca01756b552b02e5f5fac6422864439807264 | grep bits
"bits": "17021a42",

这里，“bits”值就是压缩格式的目标值。因此，将 bits 转换为 target 我们得到：

0x000000000000000000021a420000000000000000000000000000000000000000

Tool Icon 目标 Bits (Target Bits)

当前

随机示例

高度:

目标

0x

0 bytes

Bits0 bytes

0 秒

这就是所有矿工需要将区块哈希降至其下才能成功挖出区块的数字。

2. 计算挖掘下一个区块所需的平均哈希次数¶

我们可以通过将所有可能哈希结果的范围除以目标值，来算出我们平均需要执行多少次哈希才能使结果低于该目标：

hashes = (2**256) / 0x000000000000000000021a420000000000000000000000000000000000000000
hashes = 574975416304515007119360

这告诉我们，我们平均需要进行 574975416304515007119360 次哈希运算才能挖掘出下一个区块。

或者说，这大约是网络上所有矿工每 10 分钟执行的哈希总次数。

请参阅累积工作量计算说明了解我们如何获得这一“预期哈希次数”的更多信息。

3. 转换为每秒哈希数¶

无论如何，使用这个数字我们可以算出网络的每秒哈希次数（算力）：

hashes per second = 574975416304515007119360 / 600 # 10分钟有600秒
hashes per second = 958292360507524907008

因此，当前比特币网络上所有矿工的合并算力为每秒 958292360507524907008 次哈希。

将其转换为 TH/s (每秒万亿次哈希) 我们得到：

terahashes per second = 958292360507524907008 / 10**12
terahashes per second = 958292360

因此，要获得 50% 的区块挖矿控制权，我们需要建立一个能够运行超过 958,292,360 TH/s 的矿场。

资源¶

Hashrate Distribution Chart — 很有用的饼图，展示了比特币的算力分布。
Coin Dance - Latest Blocks – 另一个提供当前比特币挖矿分布饼图的网站。分布越分散越好。