摘要

近几年区块链技术火热发展，同时区块链的安全问题也伴随而来。我从区块链的架构入手，理解区块链的安全体系架构，同时利用此结构分析一些常见攻击手段原理，对区块链安全体系的认识做一个思路梳理，仅供学习参考。

介绍

近年来区块链的概念炒作如日中天，但区块链应用实际落地时却常令人失望，其中很大一部分问题来自于区块链频繁发生的安全问题。为了分析区块链的安全问题，我们需要先梳理一下区块链能真正解决的问题到底是什么，本文从解决“可信”问题的角度阐述区块链解决问题的本质。

然后我们深入探讨一下区块链系统的架构设计，本文引用 中国信息通信研究院 的《区块链安全白皮书》的定义，把区块链应用架构分为4个层次，分别为存取上层应用所需的基础数据的 存储层 、构建共识网络的 协议层 、提供区块链应用能力支撑的 扩展层 、以及各行业落地部署的 应用层 。

接着针对每一层可能出现的安全威胁进行一一整理，比如 物理层 面临具体节点周围环境的安全威胁，包括硬件安全、系统安全、网络安全； 协议层 主要面临协议缺陷的威胁，比如POW的51%攻击、POS的贿赂攻击、PBFT的女巫攻击、粉尘攻击，包括P2P协议实现上的流量威胁，比如日蚀攻击等； 扩展层 主要面临智能合约代码、虚拟机、开发人员开发规范不成熟带来的安全缺陷，比如诸多智能合的漏洞； 应用层 则主要面临传统安全领域的安全隐患，比如服务节点DOS攻击、DApp上的传统web攻击、密钥管理上的安全隐患、远程RPC漏洞（比如著名的黑色情人节攻击）

分析完各层的安全问题后，我们简单地思考一下，从各种常见的攻击原理入手，看看这些攻击到底是结合了哪几层的安全缺陷。本文中主要分析一下著名的的分叉攻击、贿赂攻击、女巫攻击、粉尘攻击、日蚀攻击、黑色情人节攻击。

最后，我尝试思考一下攻击者攻击的目的都有哪些。很多攻击者其实都是为了达到目的而不择手段，在攻防领域来说，这些不择手段就是各式各样的现存漏洞利用。单纯简单地分析漏洞，其实只是照搬现有技术，本文的目的更多是希望能把区块链的安全架构剖析开来后，结合攻击的目的，观察一下各层次的缺陷还有没有一些尚未发现的结合方式。

思考，区块链是什么？

在网络安全领域来说，“可信”一直是大家追求的目标，“可信”意味着可以相互相信、可以相互依赖，在数据通信过程中如果能实现多端可信，那业务的安全就能得到保证。

但是“可信”又是一个相当难实现的目标，比如双军问题、拜占庭将军问题，这么多年来还没有找到一个相当令人满意的解决方案。在过去我们常见的解决方案是引入一个“可信第三方”，比如淘宝、银行。通过这个可信的第三方来实现信任的传递。

可信第三方模型

引入可信第三方确实能解决可信的问题，但是随之而来的单边控制问题又变得十分尴尬，因为大家都得听一个老大哥的话，很多场景是不希望又这个老大哥存在的，比如DNS、BGP，这些倾向于节点扁平的业务，权威第三方的存在可以说是一种耽误。所以这个时候，有人提出了一种新的模型：“群体信任模型”。

群体信任模型

这个模型利用群体的信任来传递通信双方的信任，群体节点利用密码学+P2P网络实现了各种各样的共识算法，确保了这种方法是可行的，是一种可替代可信第三方的可信传递方法。

那区块链是什么？区块链本质上就是利用了群体信任模型，对必须依赖可信第三方的传统解决方案带来了一个颠覆性的思路，为解决扁平信任的问题带来了一种全新的解决方案，在这个思路上的技术、应用、市场，就是我们所认为的区块链。

区块链应用架构

根据 中国信息通信研究院 的《区块链安全白皮书》的定义，区块链应用架构分为四层：

名称	概述
存储层	区块链底层数据的存取模块
协议层	共识算法的实现模块，包括网络的实现和密码学算法
扩展层	为应用的实现提供平台，如智能合约开发语言、虚拟机
应用层	区块链技术在具体行业落地的各种服务

1、存储层

存储层是区块链底层数据的存取模块。就像操作系统的文件操作模块，每个文件其实保存了系统的状态，操作一个系统其实本质上就是对这些状态进行增删改查。在区块链中，存储层的职责是实现底层数据的读写功能，从而给上层的服务提供格式规范的数据，让上层利用这些数据格式定义区块链的各种状态。比如以太坊网络的三同步方式，则是存储层的功能扩展之一。

2、协议层

协议层的目的是共识算法的实现模块。上一层实现了底层数据存取后，下一步就是实现区块链的核心功能，实现共识。我们上一章节介绍了区块链的本质，区块链其实就是利用群体信任模型来解决信任传递的问题。而群体之所以能做到信任，靠的就是共识算法，协议层的职责就是实现共识算法。

一般来说，共识算法的实现需要依赖P2P网络进行通信，以及依赖各类密码学算法组成的共识机制。所以协议层包含了网络功能开发吗？是的，不同于OSI七层协议中的协议层，区块链的协议层是囊括了整个共识协议落地运行的实现在内，因此这里需要考虑网络的实现、共识机制的实现、以及共识流程的有序稳定运行。

3、扩展层

扩展层的存在是为应用的实现提供平台。有了数据，数据也可信地在节点之间同步了，业务方对数据进行读写不就可以实现应用了吗，为何还需要一个扩展层呢？这个问题就像操作系统一样，在过去，程序员开发业务是直接使用汇编语言对机器码进行操作，上个年代的码农人人都是内存操作大师，给他一个0一个1就能开辟一片天（?）。后来操作系统出来了，提供了一种高级程序语言，让程序员不需要懂汇编、不怎么需要理解机器码操作的底层机制就能够实现业务的开发。
区块链中的扩展层就是这么一个存在，他的职责是为应用开发提供一个开发、运行平台，让开发者不需要直接接触区块链的底层数据结构，就能利用区块链进行业务的开发。十多年前的比特币对扩展层并没有做明确的抽象，所以比特币仅仅是实现了价值的传递问题，并没有提供开发平台。而以太坊和fabric的出现，带来了智能合约一个概念，传统比特币的链上调用主要是转账的操作，而智能合约的链上调用则变成对底层数据的封装后的操作，甚至能虚拟出变量、函数的概念，这一做法其实打开了区块链扩展层的概念。而智能合约的执行则需要一定的虚拟环境，就像JAVA的执行需要在JVM中，以太坊智能合约的执行需要在EVM的环境中实现。

4、应用层

应用层则是区块链系统解决实际问题的一系列解决方案总和。当区块链的底层数据能够实现有序同步，且开发人员拥有能够操作底层数据的高级语言（智能合约开发语言）后，群体信任模型就能够被业务开发者使用，用于解决实际的问题。应用层的职责非常广泛，基本是与传统互联网业务开发的结合，比如用于操作以太坊节点的远程RPC开发，协助网页开发DApp的Web3.js开发，冷热钱包管理工具，交易所等等等等。

区块链各层上的安全隐患

上一章节中，我们把区块链的实现架构分成了4个层次进行分析，对每个层次的目的做了一定的理解。这一章节中我们针对每个层次中存在的安全隐患进行一一分析。

名称	涉及到的模块	安全隐患
存储层	硬件、网络设备，文件、操作系统、数据库软件	设备安全风险，子网攻击风险
协议层	网络搭建、密码学算法、共识机制	网络实现风险，密码算法风险，共识机制缺陷风险
扩展层	合约开发语言、合约运行环境	智能合约程序漏洞风险，运行虚拟环境风险
应用层	Web服务全家桶	传统安全

1、存储层风险

设备安全风险：技术干货 | 聊聊区块链安全攻防实践 (by 余弦)，余弦大佬在这篇文章中分享了一个他们设备被恶意刷马的故事，警示我们存储层的设备、系统软件安全也是需要备受重视的一部分。
这块的防御方向主要是传统的系统、硬件的安全防御思路。

设备安全风险

子网攻击风险：引用[1]文章中介绍了利用路由劫持、中间人攻击等方式，对以太坊的节点进行渗透攻击，并分析了攻击的性能（对公网的攻击效果不咋地）。给我们暴露了，区块链节点所处的网络环境中存在一定的被攻击风险。
防御的角度来说，对于概念上完全脱离线下的区块链系统，我们仍然需要加固线下设备、网络的安全，

2、协议层风险

网络实现风险：区块链的实现常需要见使用P2P网络组网，而P2P网络的实现其实也未必十分安全，比如日蚀攻击，就是通过利用P2P网络实现上的漏洞达成的。
这里的防御措施主要是，在网络实现的逻辑上需要更严谨的设计。

密码学算法风险：比如量子计算，区块链上大部分机制都是依赖了非对称加密算法和哈希算法，例如ECC和SHA256，谷歌量算说数秒内就能破解RSA1024，所以这方面是否对区块链存在威胁也是值得探讨的。
防御措施主要抗量子算....好吧，知识盲区。

共识机制缺陷风险：现存共识机制的实现未必是完美的，比如POW链上的51%攻击就是共识机制的缺陷。共识算法非常多，每种算法都有各自的特点与各自的风险隐患在其中。
共识机制的防御主要集中在全网的监控工作上。

3、扩展层风险

智能合约漏洞：智能合约有点像高级语言，存在的风险也很像。一方面是因为开发人员能力参差不齐，导致诸多业务漏洞被利用；另一方面也是因为智能合约语言的不成熟，开发规范不完善等原因导致。
合约漏洞的防御主要是代码审计的工作，毕竟很多漏洞都是人为为主。

运行虚拟环境风险：智能合约的运行依赖于运行环境，例如以太坊只能合约依赖EVM运行。而这个虚拟环境存在的本身也带来了产生风险的可能。
防御机制同上。

4、应用层风险

传统安全：应用层主要就是业务利用区块链的问题了，这里的安全覆盖面相当广阔，从web安全到系统安全到网络安全，是一个交叉比较多的层。而此层常见的安全漏洞主要是区块链软件的漏洞，比如以太坊的geth漏洞（远程RPC[2]漏洞综述）、比特币的P2P网络桶漏洞（导致日蚀攻击）等等。
传统安全的防御上来一把梭。

几种常见攻击分析总结

1、分叉攻击

指目的是在全网产生多条稳定的最长链的攻击。指POW链上51%的算力或POS链上的大部分资源被某集团控制，其可对该链为所欲为的风险。
这一类攻击属于共识协议的缺陷，是密码学算法和共识机制共同导致的安全威胁，可能可以归属于协议层的共识机制威胁。
关于预防的想法：预防分叉攻击，最重要的还是对公网的监控。

2、贿赂攻击

指收买矿工，让特定的矿工工作在攻击者希望的最长链上。攻击者购买了商品，获得货物，商户开始等待区块链网络确认交易的过程中，攻击者向全网宣称，奖励不保存该交易数据的最长链。当不包含该交易的最长链足够长，得到确认后，该交易数据从链上消失，攻击者也白拿了货物。
这类攻击也是针对了共识机制的缺陷进行攻击，主要属于协议层的共识机制威胁。
关于预防的想法：待补充

3、女巫攻击

模拟大量虚假节点在全网撒谎，即是女巫攻击。攻击者生成大量的攻击节点加入网络，并且这些节点只传播攻击者生成的区块，或者传播错误的数据包，这种攻击容易污染了公链节点之间传播的网络包。在PBFT链中主要体现为身份认证的缺陷，一旦被入侵后果不堪设想。这块主要属于协议层的网络威胁，但结合共识机制，甚至扩展层智能合约的漏洞进行攻击，可能会有不错的效果。
关于预防的想法：一方面加强PBFT的身份认证防御，另一方面针对全网的女巫攻击，有很多传统的入侵检测解决方案。

4、粉尘攻击

发送极小量的虚拟货币到具体钱包，实现对钱包匿名性的追踪；或者发布大量交易阻塞网络。比特币用户一开始并不会注意那些极小金额的转账交易，但是账户一旦被粉尘utxo沾上（也就是被动接收了转账），之后的只要对这个utxo进行操作，就能被发送粉尘的一方检测到。比如坏人转了一笔被粉尘化的钱到交易所，这时候就可以定位坏人的具体身份。另一方面，粉尘攻击也能阻塞网络。比如比特币网络，打包的优先级并不是转账的多少，而是转账笔数的多少（我理解为手续费越高越优先），所以大量的粉尘转账能够阻碍比特币网络的转账效率，比特币网络也确实经常很拥堵。
这种攻击一方面利用了应用层的软件缺陷，也就是比特币UTXO模型的实现缺陷；另一方面也利用了协议层的共识机制缺陷，实现网络堵塞。
关于防御的想法：提醒匿名用户重视粉尘交易，尽可能不去消费不明来源的UTXO；矿工节点可对粉尘交易做降级处理等。

5、日蚀攻击

利用多个恶意节点持续占满一个或者多个正常节点的P2P网络连接池，使得这些正常节点无法接受公网的交易数据，与公网隔离。日蚀攻击不仅能针对一两个节点进行攻击，如果攻击者拥有大量算力，例如拥有30%多算力，它甚至有可能通过把全网的节点间自治域进行分割，强行实现分叉等操作。要在比特币上实现日蚀攻击，还需要借助实现比特币的软件曾经出现一个，P2P节点连接池的漏洞。所以日蚀攻击涉及到应用层的软件缺陷 和 协议层的P2P网络实现缺陷。
关于防御的想法：比特币团队看到这个漏洞发布后，迅速地发布了更新，修复了软件中P2P连接池的漏洞。日蚀攻击主要是P2P路由层面的漏洞利用，或许可以细化下去进行研究。

6、黑色情人节攻击

利用远程RPC接口中unlock_account的调用漏洞，利用了泄露身份认证进行资源盗窃。这个攻击主要针对了以太坊geth的漏洞利用，当geth节点调用unlock_account函数后，账户会保持3分钟的解锁状态，在这3分钟内，所有关于account的操作都不需要授权。如果account对象的函数对rpc接口透明开放，攻击者很可能不断监控节点的解锁状态，一旦账户可用，转账跑路。这属于业务开发层面上出现的漏洞，也是由于geth开发时缺乏对接口的保护意识导致，属于应用层软件的缺陷导致的攻击风险。
关于防御：官方明确声明unlock_account的危险性，推荐所有开发者在解锁使用完账户后，马上上锁。尽管如此，个人感觉节点仍然可能有那么一点点的时间间隙，账号处于解锁状态，所以干脆不要把account这类高危接口开放给rpc，或者给RPC调用加上白名单，带上堡垒机等等。

思考攻击者的目的

单纯分析漏洞其实只是对过去发生的事情做总结，网络的攻和防在未来仍然持续发生，螺旋上升，唯独攻击者的初心是基本不变的。最后在这里简单换位思考一下攻击区块链的目的都有哪些。

1、直接获利

攻击者目的是直接获取虚拟货币的，比如黑色情人节攻击、分叉攻击、挖矿病毒等。希望能通过攻击就能让钱包蹭蹭蹭。

2、间接获利

攻击者并不是直接获取虚拟货币，而是绕个弯赚钱的，比如贿赂攻击。我们知道虚拟货币的发展非常火爆，已经设计到很多金融领域的玩法，比如多边套利等骚操作，对区块链进行攻击，结合金融领域进行套利也是值得思考的一种渠道。

3、溯源（监管）

为了破坏匿名性的攻击。比如追踪性质的粉尘攻击。

4、拒绝服务（监管）

为了让区块链服务在特定的网络空间内无法对用户服务。

总结

本文结合区块链的应用系统架构，针对每一层涉及的模块分析其可能存在的风险。然后结合现存的几个著名攻击手段，透过其攻击原理，探讨这些攻击本质上是利用了哪些层面的安全缺陷。最后简单换位思考攻击者进行攻击的目的，希望能引发思考，从目的入手挖漏洞。

引用

[1] Ekparinya P, Gramoli V, Jourjon G. Impact of man-in-the-middle attacks on ethereum[C]//2018 IEEE 37th Symposium on Reliable Distributed Systems (SRDS). IEEE, 2018: 11-20.
[2] Wang X, Zha X, Yu G, et al. Attack and defence of ethereum remote apis[C]//2018 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps). IEEE, 2018: 1-6.