淺談對區(qū)塊鏈的攻擊方式與安全性

◆孫國鈺

淺談對區(qū)塊鏈的攻擊方式與安全性

◆孫國鈺

(青島大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院 山東 266071)

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N新興的分布式數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，具有不可更改、不可偽造的安全特性。自“中本聰”于2008年提出點對點的數(shù)字貨幣——比特幣的概念后，區(qū)塊鏈作為其底層技術(shù)得到了廣泛的重視。盡管區(qū)塊鏈技術(shù)很強大，但總有辦法攻擊它。本文第一部分簡述區(qū)塊鏈技術(shù)的特點與應(yīng)用；第二部介紹雙重支付、日蝕攻擊等常見的攻擊方式；第三部展示解決方案和研究成果；最后總結(jié)與展望區(qū)塊鏈技術(shù)未來的發(fā)展。

區(qū)塊鏈；攻擊方式；安全性

1 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N“去中心化”、“去信任化”和公開透明的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，可以不依賴第三方可信機構(gòu)在陌生節(jié)點之間建立點對點的可信價值傳遞，并降低交易成本，提高交互效率。區(qū)塊鏈技術(shù)是分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術(shù)的新型應(yīng)用模式。通常，共識機制指使區(qū)塊鏈節(jié)點的狀態(tài)達(dá)到一致的算法。區(qū)塊鏈技術(shù)是以塊鏈為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗證與存儲數(shù)據(jù)、以分布式節(jié)點共識機制來生成和更新數(shù)據(jù)、以密碼學(xué)的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全、由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的基礎(chǔ)架構(gòu)與計算方式。它革命性地解決了“拜占庭將軍問題”，并已逐步應(yīng)用到如金融、版權(quán)、物流、醫(yī)療等其他更廣闊的領(lǐng)域，未來還會為技術(shù)及經(jīng)濟社會發(fā)展做出更多貢獻(xiàn)。

隨著近年來數(shù)字貨幣價格的持續(xù)走高，也出現(xiàn)了許多“暴利”誘惑下對區(qū)塊鏈的攻擊者。好在問題與解決方法總是同時產(chǎn)生?，F(xiàn)對已出現(xiàn)的幾種攻擊方式作大致總結(jié)，并列出解決與與研究成果如下文。

2 目前存在的主要攻擊形式

對區(qū)塊鏈的攻擊可分為兩類：一是對區(qū)塊鏈完整性及共識機制的攻擊，如雙重支付攻擊、自私挖礦攻擊等；二是通過點對點的節(jié)點進(jìn)行通信時使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的攻擊，如日蝕攻擊等。

2.1 雙重支付攻擊

雙重支付[1]攻擊有兩種類型：一是攻擊者使用一筆金額，同時和多個對象進(jìn)行交易。若這些交易對象在交易未被記錄進(jìn)合法區(qū)塊鏈的情況下，完成了交易，則攻擊者到達(dá)了雙重消費，甚至多重消費的目的。盡管在多次交易中，僅會有一筆被認(rèn)為合法并記入鏈中，但交易對象已完成了交易，因此攻擊者可以從中獲益。

二是攻擊者利用自身強大的算力發(fā)起雙重消費攻擊。攻擊者利用同一筆金額，在第一筆交易完成并記錄進(jìn)區(qū)塊鏈后，利用其具有的強大算力，可將第二筆交易記錄在私人區(qū)塊鏈中；攻擊者會繼續(xù)在私有鏈上挖礦，直至挖一條合法的更長的鏈取代之前的公共鏈，使得第二筆交易也得到確認(rèn)，完成交易。

2.2 自私挖礦

如果一群礦工，采用自私的挖礦戰(zhàn)略并獲得成功，則可能會使誠實礦工的工作無效。具體表現(xiàn)為：一個惡意的采礦池決定不發(fā)布他發(fā)現(xiàn)的塊，而后創(chuàng)建一個分叉，網(wǎng)絡(luò)中會同時存在由誠實礦工維護(hù)的公共鏈和惡意采礦池的私人分叉。惡意采礦池在私人分叉上繼續(xù)挖礦。當(dāng)私人分叉比公共鏈長時，便發(fā)布此鏈取代原公共鏈。此時，原公共鏈及其包含的誠實數(shù)據(jù)將被丟棄。研究表明，一般情況下采用自私挖礦策略的惡意采礦池將獲得更多的受益。

2.3 日蝕攻擊

日蝕攻擊利用節(jié)點間的廣播特性進(jìn)行攻擊。具體做法如下：攻擊節(jié)點將隨機選擇 8 個其他對等節(jié)點，并“策略性”地控制受害節(jié)點所有信息的接收與發(fā)送；通過使受害節(jié)點的入站連接數(shù)量達(dá)到上限，從而阻止其他合法節(jié)點的連接請求。當(dāng)受害節(jié)點的鏈接數(shù)量達(dá)到上限時，這些對等節(jié)點會重新啟動。重啟后的節(jié)點仍會首先收到來自攻擊節(jié)點的連接請求和無用信息，進(jìn)而被比特幣系統(tǒng)“隔離”出來，使受害節(jié)點的采礦無效。通過日蝕攻擊，惡意攻擊者可以進(jìn)一步入侵并修改受害節(jié)點的路由表，并進(jìn)行如路由欺騙、存儲污染、DoS攻擊等的操作。

2.4 其他攻擊方式與安全性

除上述常用攻擊外，還有扣塊攻擊、物理攻擊等。當(dāng)然，區(qū)塊鏈的安全性不僅取決于對其的攻擊，從區(qū)塊鏈應(yīng)用及區(qū)塊鏈本身的角度，秘鑰保護(hù)，數(shù)據(jù)隱私及匿名性[2]，底層哈希等技術(shù)的安全性等亦是是需要考慮的因素。解釋來說，數(shù)據(jù)的隱私及匿名性是因為區(qū)塊鏈系統(tǒng)的比特幣技術(shù)本質(zhì)上不完全透明：這些交易永久的存在于分類公開賬本中，每個用戶不但可以看到余額，還可訪問與比特幣地址相關(guān)的交易信息。因此，攻擊者也可通過收集用戶在交易或特殊情況下顯示出來的特定信息，來進(jìn)一步推測用戶的真實信息和個人隱私等。

基于Merkel樹結(jié)構(gòu)的哈希函數(shù)第二原像攻擊[3]是一種新提出的，利用區(qū)塊鏈默克爾樹樹中哈希函數(shù)葉子節(jié)點的哈希值具有同樣地位而構(gòu)造的對已存在區(qū)塊發(fā)起第二原像攻擊的方法。該方法并從理論上分析證明了較平凡搜索攻擊具有更低的復(fù)雜性。

3 應(yīng)對方法與研究

對于第二部分提到的攻擊形式，現(xiàn)歸納解決方案及文獻(xiàn)成果如下：

3.1 雙重支付攻擊

一般認(rèn)為，當(dāng)一筆交易被重復(fù)6次以上確認(rèn)時，便不可更改。后續(xù)的篡改耗費巨大的計算資源。因此進(jìn)行大宗交易時，應(yīng)等多次確認(rèn)后再完成交易（如交貨、紙質(zhì)簽字等）。此外，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與算力的指數(shù)倍增長，依靠單個礦工或幾個礦工在全網(wǎng)所占高比例算力的可能性越來越小，篡改的難度越來越大，此種風(fēng)險帶來的威脅也將逐漸減小。

3.2 自私挖礦

區(qū)塊鏈的工作量證明機制（PoW）主要特征為：客戶端需要通過做一定難度的工作得出一個結(jié)果，但驗證方卻很容易通過結(jié)果來檢查出客戶端是不是做了相應(yīng)的工作。具體到比特幣，礦工需要在滿足全網(wǎng)目標(biāo)難度的情況下求解SHA256算法。工作量證明機制通過耗費大量的算力，使得攻擊者想要篡改數(shù)據(jù)的成本急劇增加，同時維持了比特幣系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。PoW實際為一個復(fù)雜的過程，加之網(wǎng)絡(luò)中大量誠實礦工的存在，可在一定程度上避免自私挖礦的安全風(fēng)險；補充來講，區(qū)塊鏈誘人的獎勵機制也會鼓勵礦工們誠實工作。

3.3 混合地址機制

混幣機制最早由Gregory Maxwell在比特幣論壇上提出，其中心思想為在不改變交易結(jié)果的前提下，改變交易過程，使攻擊者無法直接獲得交易的完整信息。具體來講，可在一個交易中包括大量輸入和輸出，使很難在輸入和輸出中找出每個人的對應(yīng)對，將輸入與輸出之間的聯(lián)系切斷，從而較好地保護(hù)用戶了隱私，提高了通信的匿名性。

3.4 安全檢測模型

安全檢測模型[4]是一種新提出的，以實驗量化各種攻擊方式對區(qū)塊鏈造成的影響的方法。具體操作為：以51%攻擊（指若一群礦工控制了整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)51%的算力，它們聯(lián)合起來可通過故意制造分叉或拒絕服務(wù)的方式來阻止特定交易或特定錢包地址，從而攻擊整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)）為唯一攻擊參照，同時使用兩種算法來模擬誠實礦工和攻擊者的行為，并記錄不同的參數(shù)環(huán)境中區(qū)塊鏈的狀態(tài)（真實環(huán)境中認(rèn)為一個區(qū)塊連接超過6個塊后則無法改變，記為穩(wěn)定狀態(tài)；因此整個系統(tǒng)的狀態(tài)可認(rèn)為是無限循環(huán)的）變?yōu)楣舫晒顟B(tài)的概率。當(dāng)概率達(dá)到某個值時，可以向區(qū)塊鏈中用戶發(fā)送提示消息，延長交易確認(rèn)的時間，從而降低攻擊的風(fēng)險。

新興“區(qū)塊鏈+”正蓬勃發(fā)展并向更多領(lǐng)域邁進(jìn)。當(dāng)部署新的應(yīng)用在區(qū)塊鏈時，若初始化某個全新的區(qū)塊鏈，要保證網(wǎng)絡(luò)中沒有大量惡意節(jié)點，即使從經(jīng)濟社會的的角度來說，也是十分困難的。因此，研究者們提出不建議從零開始設(shè)計一個新的區(qū)塊鏈，盡量利用已有的比特幣系統(tǒng)或者已有的某個安全穩(wěn)定的區(qū)塊鏈上部署區(qū)塊鏈應(yīng)用，可在一定程度上確保新應(yīng)用數(shù)據(jù)完整性和隱私性。

4 總結(jié)

區(qū)塊鏈作為一種去中心化、去信任化的分布數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，以其獨有的安全性，已從最初的比特幣系統(tǒng)推廣到金融、醫(yī)療、藝術(shù)、版權(quán)等其他領(lǐng)域。它的不可篡改，防偽溯源、公開透明的特性為其他傳統(tǒng)的技術(shù)或中心化問題提供了新思路，并為社會經(jīng)濟生活帶來了創(chuàng)新與優(yōu)勢。區(qū)塊鏈實現(xiàn)了在缺少可信任的中央節(jié)點或可信任的通道分布式節(jié)點的共識問題，并得到了越來越多的關(guān)注?？梢灶A(yù)見在未來依然少不了對這項日漸成長的技術(shù)的攻擊，但隨著實踐的發(fā)展與研究，終會使這項技術(shù)更加茁壯與成熟。未來區(qū)塊鏈也許會服務(wù)于更多的領(lǐng)域，并為社會進(jìn)步經(jīng)濟增長帶來貢獻(xiàn)。

[1]房衛(wèi)東，張武雄.區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)安全: 威脅與對策[J].信息安全學(xué)報，2018.

[2]祝烈煌.區(qū)塊鏈交易數(shù)據(jù)隱私保護(hù)機制[J].大數(shù)據(jù)， 2018.

[3]王卯寧.基于Merkle哈希樹結(jié)構(gòu)的區(qū)塊鏈第二原像攻擊[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全，2018.

[4]葉聰聰.區(qū)塊鏈的安全檢測模型[J].軟件學(xué)報，2018.