區(qū)塊鏈安全問題研究

謝 婷，劉曉鋒，吳玉娟

(西華師范大學(xué)，四川 南充 637000)

0 引言

2008年，中本聰提出具有去中心化、可追溯和匿名化等特點(diǎn)的區(qū)塊鏈技術(shù)，受到各界人士的關(guān)注，至此誕生出各種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用，如比特幣、萊特幣和以太坊等[1]。在區(qū)塊鏈從1.0到3.0版本期間，出現(xiàn)過各種安全事件。作為區(qū)塊鏈1.0版本的比特幣發(fā)生過的安全問題，例如，大整數(shù)溢出造成了比特幣被盜取了千萬億；Mt.Gox交易所因攻擊者獲取wallet.dat文件副本，被盜取了幾十萬的比特幣；絲綢之路2.0交易網(wǎng)站曾因交易延展性問題導(dǎo)致比特幣被盜。區(qū)塊鏈2.0版本的以太坊發(fā)生過的安全問題，例如，著名的The DAO事件，被盜取了幾百萬的以太幣；簽名錢包Parity存在安全問題，攻擊者利用多重錢包漏洞盜取了幾十萬的以太幣；還有其他因智能合約漏洞和以太坊本身導(dǎo)致的各種安全事件。區(qū)塊鏈3.0版本的應(yīng)用也因代碼漏洞導(dǎo)致安全事件發(fā)生，如Wormhole因代碼漏洞受到黑客攻擊[2]。

以上各種安全事件均暴露出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的各種應(yīng)用缺乏真正意義上的安全。區(qū)塊鏈本身是以去中心化、防篡改和匿名化等特點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注，但在使用區(qū)塊鏈技術(shù)時(shí)出現(xiàn)各種安全問題，導(dǎo)致人們開始擔(dān)憂區(qū)塊鏈的未來，由此引發(fā)區(qū)塊鏈技術(shù)的信任危機(jī)。

1 區(qū)塊鏈安全問題

國內(nèi)外文獻(xiàn)針對區(qū)塊鏈安全問題研究存在兩種研究方式。(1)第一種方式[3-4]，按照攻擊事件歸屬區(qū)塊鏈架構(gòu)的某一層，進(jìn)行相應(yīng)分類，如表1所示。單獨(dú)分析各安全問題屬于哪層出現(xiàn)的安全問題，隔斷了各種安全問題的聯(lián)系，沒有考慮除六層架構(gòu)以外的安全問題。因此這種研究方式缺乏各層之間安全事件的聯(lián)系性和全面性。(2)第二種方式，針對區(qū)塊鏈中某一層出現(xiàn)的安全問題進(jìn)行研究，如孫國梓等[5]只對合約層中出現(xiàn)的各種安全事件進(jìn)行分析，ATZEI等[6]對交易中出現(xiàn)安全問題所造成區(qū)塊鏈用戶資產(chǎn)丟失的安全事件進(jìn)行研究，不過這種研究方式過于單一化與集中化，對發(fā)生在區(qū)塊鏈各層的安全問題并沒有考慮完全，缺乏全面化與綜合化。

本文考慮區(qū)塊鏈安全事件的復(fù)雜多樣，主要從區(qū)塊鏈自身安全機(jī)制問題、運(yùn)行環(huán)境問題和使用者安全問題三個(gè)方面進(jìn)行研究與討論。

1.1 區(qū)塊鏈自身安全機(jī)制問題

由于區(qū)塊鏈自身安全機(jī)制存在一定問題，所以根據(jù)區(qū)塊鏈的六層邏輯架構(gòu)分析區(qū)塊鏈自身安全問題。(1)數(shù)據(jù)層，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)層存在哈希函數(shù)、加密技術(shù)和時(shí)間戳的安全性問題。哈希函數(shù)的攻擊是通過變色龍HASH函數(shù)[7-8]實(shí)現(xiàn)篡改數(shù)據(jù)，其原理是攻擊者在保持輸出相同的情況下，人為地設(shè)置自己想要的輸入值，因此變色龍HASH函數(shù)的出現(xiàn)改變了區(qū)塊鏈不可篡改的特點(diǎn)，違背了區(qū)塊鏈技術(shù)創(chuàng)始本意。隨著技術(shù)發(fā)展，最初采用的加密技術(shù)是在HASH256量子計(jì)算[9]下被破解的，因此無法實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈用戶的匿名性。時(shí)間戳的使用是準(zhǔn)確定義交易時(shí)間，防止出現(xiàn)雙花攻擊，但區(qū)塊上的時(shí)間戳是為礦工定義的，因此出現(xiàn)有利于礦工自己而設(shè)計(jì)的時(shí)間戳漏洞。例如，在GovernMental攻擊中就存在根據(jù)時(shí)間戳漏洞來設(shè)計(jì)時(shí)間戳，攻擊者使自己的時(shí)間戳比之前區(qū)塊的時(shí)間戳晚一分鐘來贏得獎(jiǎng)勵(lì)。(2)網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層目前出現(xiàn)的問題主要是傳播機(jī)制問題。傳播機(jī)制采用的洪泛法是指每個(gè)節(jié)點(diǎn)將自己所含的交易信息都廣播給相鄰節(jié)點(diǎn)。攻擊者通過網(wǎng)絡(luò)層的啟發(fā)式聚類法[10]推測出每個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)系及身份，導(dǎo)致區(qū)塊鏈的匿名性特點(diǎn)并不存在。(3)共識層，共識層由共識算法[11-12]組成，但各種共識算法有不同優(yōu)缺點(diǎn)，導(dǎo)致共識層存在擴(kuò)展性差和硬分叉的安全性問題?？蓴U(kuò)展性主要是指系統(tǒng)效率，其中TPS(系統(tǒng)吞吐量)是可擴(kuò)展性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。針對可擴(kuò)展性的安全問題是粉塵攻擊和空塊攻擊，粉塵攻擊中攻擊者利用比特幣設(shè)計(jì)規(guī)則漏洞，進(jìn)行大量小額交易，又由于比特幣交易區(qū)塊大小有限，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞?？諌K攻擊則只打包新幣發(fā)行的coinbase交易，其他類型交易都不會打包到區(qū)塊，一旦出現(xiàn)大量類似攻擊，會導(dǎo)致交易確認(rèn)時(shí)間過長，系統(tǒng)吞吐量過低。硬分叉是指系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)分歧而導(dǎo)致區(qū)塊鏈分叉。硬分叉導(dǎo)致區(qū)塊鏈主要的安全問題是交易回滾和重放攻擊。(4)激勵(lì)層，激勵(lì)層主要包括發(fā)行機(jī)制和分配機(jī)制，而發(fā)行機(jī)制存在因優(yōu)先打包而交易費(fèi)用高的交易，導(dǎo)致一些費(fèi)用低的交易等待時(shí)間過久的安全問題。(5)合約層，在合約層中區(qū)塊鏈本身存在的問題是合約狀態(tài)無法預(yù)測、可變的交易狀態(tài)和交易延展性。當(dāng)調(diào)用一個(gè)合約時(shí)，此時(shí)合約狀態(tài)和之后狀態(tài)可能會不一樣，合約狀態(tài)受其他交易和分叉影響，導(dǎo)致合約狀態(tài)改變。在Dynamic Libraries攻擊中，用戶在執(zhí)行交易時(shí)合約狀態(tài)改變，導(dǎo)致將以太傳輸給攻擊者。交易ID是由交易大小、類型、時(shí)間和簽名等因素計(jì)算而成的值。交易延展性則指當(dāng)簽名改變時(shí)交易ID也會隨之發(fā)生變化，因此攻擊者利用這一缺點(diǎn)修改交易ID，盜取交易費(fèi)用。Mt.Gox交易所就受到了類似攻擊。(6)應(yīng)用層，主要涉及分布式應(yīng)用程序(DAPP)。DAPP的安全事件是代碼漏洞，攻擊者利用這些漏洞設(shè)計(jì)木馬病毒攻擊DAPP，導(dǎo)致DAPP癱瘓。

針對區(qū)塊鏈自身安全機(jī)制出現(xiàn)的問題，提出區(qū)塊鏈六層架構(gòu)模式的解決方案。

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層針對哈希函數(shù)、加密技術(shù)和時(shí)間戳攻擊分別提出相應(yīng)解決方案。對于使用變色龍哈希函數(shù)篡改區(qū)塊數(shù)據(jù)的安全問題，可以將誠實(shí)節(jié)點(diǎn)已知的區(qū)塊高度與當(dāng)前區(qū)塊最長鏈高度進(jìn)行比較，如果相差很大就有可能存在篡改區(qū)塊的行為。為防止因加密技術(shù)被量子技術(shù)破解所引發(fā)的安全問題，1989年，BENNETT等[13]根據(jù)量子力學(xué)原理提出量子加密技術(shù)。有關(guān)預(yù)防時(shí)間戳攻擊可使用Oyente工具，檢測出漏洞問題。

網(wǎng)絡(luò)層通過傳播機(jī)制識別節(jié)點(diǎn)身份的安全問題，通過零知識證明、群簽名和環(huán)簽名等方案解決該問題。使用零知識證明方案，使相鄰節(jié)點(diǎn)除了傳播信息這一零知識證明外，不能得到其他任何信息，攻擊者無法通過其他信息推測節(jié)點(diǎn)身份。而群簽名和環(huán)簽名是把多個(gè)節(jié)點(diǎn)信息混合，使攻擊者無法從混合節(jié)點(diǎn)信息推測節(jié)點(diǎn)身份。

共識層中涉及可擴(kuò)展性差和硬分叉的問題。區(qū)塊鏈中的可擴(kuò)展性差問題會影響區(qū)塊鏈系統(tǒng)效率，因此對于系統(tǒng)檢測出的可擴(kuò)展性差問題，需要通過ZHOU等[14]提出的鏈上和非鏈上方法解決。硬分叉帶來的重放攻擊和交易回滾問題對區(qū)塊鏈影響非常大，而對于硬分叉問題只能采取預(yù)防手段，即中本聰所說的“鼓勵(lì)誠實(shí)節(jié)點(diǎn)挖‘好鏈’”[15]，這樣區(qū)塊鏈才能長期維持。

激勵(lì)層中發(fā)行機(jī)制問題可通過增加時(shí)間限制和優(yōu)先級來解決。當(dāng)費(fèi)用低的交易等待時(shí)間過長時(shí)，系統(tǒng)會將費(fèi)用低的交易優(yōu)先級進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以防止該交易等待時(shí)間過長。合約層中存在的問題，可使用基礎(chǔ)的檢測工具Oyente，檢測智能合約的基礎(chǔ)漏洞。對于區(qū)塊鏈應(yīng)用層出現(xiàn)的DAPP漏洞問題，則需要程序不斷打補(bǔ)丁，修改程序出現(xiàn)的漏洞問題。

1.2 運(yùn)行環(huán)境問題

區(qū)塊鏈中因交易所出現(xiàn)的安全問題不在少數(shù)，主要有代碼漏洞、以太坊的Solidity語言和以太坊虛擬機(jī)(EVM)問題。比特幣交易所因在編寫代碼時(shí)存在整數(shù)溢出問題，被盜走幾百萬比特幣。以太坊中Solidity語言由于沒有引入構(gòu)造來處理特定領(lǐng)域，如導(dǎo)致交易記錄被不可預(yù)測地重新排序和延遲。又因每個(gè)合約中都含有fallback函數(shù)，導(dǎo)致攻擊者利用fallback函數(shù)轉(zhuǎn)移交易所的以太幣，如The DAO攻擊。以太坊中虛擬機(jī)存在問題，即在以太傳輸時(shí)，如果收件人地址是孤立地址(不與任何用戶或合約相關(guān)聯(lián))，則以太將永遠(yuǎn)丟失。這些問題都是交易所在創(chuàng)建時(shí)所攜帶的運(yùn)行環(huán)境問題。

礦池的形成給攻擊者創(chuàng)建攻擊機(jī)會，攻擊者對礦池的攻擊行為主要有51%算力攻擊和截留攻擊。51%算力攻擊是指某一礦池中礦工數(shù)占總礦工數(shù)比例超過50%，該礦池相當(dāng)于掌握區(qū)塊鏈，即產(chǎn)生區(qū)塊和去除區(qū)塊。截留攻擊如圖1所示，主要是礦池A為獲取收益，將自己內(nèi)部礦工成員偽裝成礦池B的成員，如果偽裝者找到一個(gè)完整的解決方案，構(gòu)成完整的工作證明，則其會放棄該解決方案，從而減少礦池B的總收入。雖然礦池A獲取收益，但EYAL[16]提到礦池A只是臨時(shí)獲取收益，如果礦池B同樣攻擊礦池A，它們就將面臨囚徒困境。若一池選擇攻擊，通過攻擊進(jìn)行報(bào)復(fù)，則會增加收益；然而，當(dāng)兩者都攻擊時(shí)，在納什均衡時(shí)，兩者賺得比兩者不攻擊時(shí)要少。

圖1 截留攻擊工作原理

對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上存在的漏洞，APOSTOLAKI等[17]提出因邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(BGP)存在的漏洞，攻擊者可對自治系統(tǒng)(AS)進(jìn)行路由攻擊。路由攻擊包括分割攻擊和延遲攻擊。分割攻擊即區(qū)塊鏈中一部分節(jié)點(diǎn)區(qū)域受到攻擊者控制，接受或者發(fā)送信息都通過攻擊者。因此，攻擊者不僅可以獲取信息、偽造信息，還可以在不同區(qū)發(fā)送同一筆交易，導(dǎo)致出現(xiàn)雙花攻擊。延遲攻擊則是攻擊者在分割區(qū)塊鏈各個(gè)節(jié)點(diǎn)后，作為中間節(jié)點(diǎn)把發(fā)送方的信息進(jìn)行修改，然后發(fā)送給接受方，這種攻擊非常隱蔽，導(dǎo)致接收方與發(fā)送方無法發(fā)現(xiàn)攻擊，并且區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)容易受到此類攻擊。

區(qū)塊鏈運(yùn)行環(huán)境解決方案：首先是交易所的安全問題，目前研究人員針對這些漏洞設(shè)計(jì)出許多檢測工具，如MythX、Abbe和Oyente等。專業(yè)研發(fā)員根據(jù)這些工具檢查基本漏洞，防止因這些漏洞而產(chǎn)生的攻擊。其次是解決礦池問題中的51%算力攻擊和截留攻擊。為防止51%算力攻擊，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中限制各礦池占總礦池的算力比例，從而阻止攻擊發(fā)生。對于解決截留攻擊的方案分為預(yù)防和阻止，其預(yù)防原理是礦池通過部分工作證明和完全工作證明的比率來估計(jì)礦工的預(yù)期采礦功率和實(shí)際采礦功率，如果結(jié)果高于設(shè)定置信區(qū)間的差異就表示攻擊。截留攻擊的阻止方案包括兩種[18]：其一是突擊測驗(yàn)，即間接檢查未提交方案的礦工；其二是修改比特幣協(xié)議，其思想是將無法辨別的有效塊交給礦池進(jìn)行審查，從而阻止攻擊發(fā)生。最后給出解決網(wǎng)絡(luò)協(xié)議安全問題的兩種方案[19]：第一種方案是無需任何協(xié)議更改的短期措施，主要包括增加節(jié)點(diǎn)連接的多樣性、選擇比特幣對等點(diǎn)時(shí)考慮路由因素、監(jiān)控往返時(shí)間(RTT)、監(jiān)視其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和使用不同的ASes網(wǎng)關(guān)等措施；第二種方案是檢測和防止路由攻擊的長期措施，主要包括加密比特幣通信、使用消息身份驗(yàn)證碼、使用UDP心跳和在多個(gè)連接上請求塊等措施。

1.3 使用者安全問題

使用者安全問題主要是秘鑰的管理問題，如太平洋資本公司CEO Peter Schiff曾在登錄比特幣錢包時(shí)，因秘鑰丟失導(dǎo)致無法登錄；Poker EOS交易所也因團(tuán)隊(duì)私鑰管理不當(dāng)，導(dǎo)致項(xiàng)目賬戶私鑰泄露，其攻擊方式是攻擊者采用釣魚攻擊手段，將網(wǎng)站偽裝成加密貨幣交易所Kraken網(wǎng)站，導(dǎo)致大量用戶的賬號和秘鑰被盜取。

對于使用不當(dāng)導(dǎo)致的私鑰丟失問題，HOMOLIAK等[20]構(gòu)建了SmartOTPs錢包框架，提供一種安全、可用的管理加密代幣的方法，該框架能夠阻止擁有用戶私鑰或攻擊客戶端的攻擊者。對于釣魚攻擊導(dǎo)致的秘鑰丟失，可以使用反釣魚軟件工具來預(yù)防釣魚攻擊。

1.4 區(qū)塊鏈安全問題總結(jié)

對區(qū)塊鏈安全問題進(jìn)行總結(jié)，見表2。

表2 區(qū)塊鏈安全問題總結(jié)

2 區(qū)塊鏈安全檢測模型設(shè)計(jì)

目前，檢測模型都是針對區(qū)塊鏈六層架構(gòu)或者區(qū)塊鏈某層安全問題進(jìn)行檢測，這種檢測模型忽略了運(yùn)行環(huán)境和使用者所帶來的問題，導(dǎo)致存在檢查遺漏現(xiàn)象。本文提出的檢測模型根據(jù)三層分類架構(gòu)進(jìn)行安全問題檢測，其流程如圖2所示。首先輸入安全問題，其次判斷安全分類屬于哪類安全問題，最后根據(jù)不同的分類層次進(jìn)行相應(yīng)的解決。這種檢測模型比單獨(dú)針對區(qū)塊鏈六層架構(gòu)安全問題的分析更加全面和徹底，不僅考慮了六層架構(gòu)出現(xiàn)的安全問題，也考慮了運(yùn)行環(huán)境和使用者出現(xiàn)的安全問題。

圖2 模型流程圖

3 總結(jié)與展望

綜上所述，對區(qū)塊鏈自身安全機(jī)制問題、運(yùn)行環(huán)境問題和使用者安全問題分別進(jìn)行討論。對于區(qū)塊鏈自身安全機(jī)制問題，通過六層架構(gòu)對攻擊方式與相應(yīng)解決方案進(jìn)行描述；對于運(yùn)行環(huán)境問題，從交易所、礦池和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議三方面進(jìn)行研究；對于使用者安全問題，則對秘鑰管理漏洞展開分析。本文詳細(xì)闡述了區(qū)塊鏈中存在的攻擊事件，旨在維護(hù)區(qū)塊鏈安全，促進(jìn)區(qū)塊鏈健康發(fā)展。

關(guān)于區(qū)塊鏈未來發(fā)展的一項(xiàng)研究是漏洞檢測工具的開發(fā)。目前的檢測工具只能檢測一些基本漏洞，對復(fù)雜多樣的漏洞仍檢測不出，因此未來工作應(yīng)致力于研發(fā)更精準(zhǔn)的檢測工具軟件。關(guān)于區(qū)塊鏈未來發(fā)展的另一項(xiàng)研究是去匿名化，雖去匿名化與區(qū)塊鏈創(chuàng)立之初的想法相違背，但去匿名化有利于政府部門對犯罪行為的監(jiān)督。當(dāng)然，區(qū)塊鏈的去匿名化和匿名化應(yīng)針對具體對象而言，既滿足普通用戶的需求，又不給犯罪分子以可乘之機(jī)，旨在維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。