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区块链系统安全性调查
摘要
区块链技术自问世以来，就展现出广阔的应用前景。 从最初的加密货币到现在的智能合约，区块链已经应用到很多领域。 虽然对区块链的安全和隐私问题有一些研究，但对区块链系统的安全性缺乏系统的考察。 在本文中，我们对区块链的安全威胁进行了系统研究，并通过检查流行的区块链系统来调查相应的真实攻击。 我们还回顾了区块链的安全增强解决方案，这些解决方案可用于各种区块链系统的开发，并提出一些未来的方向来推动该领域的研究工作。
关键字 区块链，信息安全，加密货币，智能合约
- 引言
自 2009 年比特币问世以来，其底层技术区块链显示出广阔的应用前景，引起了学术界和工业界的广泛关注。作为第一个加密货币，比特币被评为 2015 年表现最好的货币 [1] 和 2016 年表现最好的商品 [2]，并在 2017 年 5 月每天有超过 30 万笔确认交易 [3]。随着时间的推移，区块链技术已被应用到许多领域，包括医学[4-6]、经济学[7-9]、物联网[10-12]、软件工程[13-15]等。引入图灵完备的编程语言，使用户能够开发在区块链上运行的智能合约，标志着区块链 2.0 时代的开始。借助区块链的去中心化共识机制，智能合约允许互不信任的用户完成数据交换或交易，而不需要任何第三方的信任授权。以太坊现在（2017 年 5 月）是支持智能合约的最广泛使用的区块链，已经有 317,506 个智能合约，每天发生超过 75,000 笔交易 [16]。
由于区块链是 FinTech（金融科技）行业的核心技术之一，用户对其安全性非常关注。最近报告了一些安全漏洞和攻击。Loi等人发现现有的 19,366 个以太坊合约中有 8,833 个易受攻击 [17]。请注意，具有安全漏洞的智能合约可能会导致财务损失。例如，2016 年 6 月，犯罪分子利用递归调用漏洞攻击了智能合约 DAO [18]，并窃取了约 6000 万美元。再举一个例子，2014 年 3 月，犯罪分子利用比特币的交易可变性攻击最大的比特币交易平台 MtGox。攻击导致了 MtGox 的崩溃，价值 4.5 亿美元的比特币被盗 [19]。
尽管最近有一些关于区块链安全性的研究，但都没有对区块链系统的风险、相应的真实攻击和安全性增强进行系统的检查。与我们最接近的研究工作是 [20]，它只关注以太坊智能合约，而不是流行的区块链系统。从安全编程的角度来看，他们的工作分析了以太坊智能合约的安全漏洞，并提供了可能导致漏洞的常见编程陷阱的分类[20]。尽管 [20] 中列出了一系列针对智能合约的相关攻击，但缺乏对安全增强的讨论。本文从更全面的角度关注区块链的安全性。本文的主要贡献如下：
- 据我们所知，我们对流行的区块链系统的安全风险进行了首次系统检查。
- 我们调查了从 2009 年至今（2017 年 5 月）对流行区块链系统的真实攻击，并分析了这些案例中利用的漏洞。
- 我们总结了提高区块链安全性的实际学术成果，并提出了该领域的一些未来方向。
本文的其余部分安排如下。 第 2 节介绍了区块链系统中使用的主要技术。 第 3 节系统地检查了区块链的安全风险，第 4 节调查了对区块链系统的真实攻击。 在第 5 节总结了区块链的安全增强功能后，我们在第 6 节提出了一些未来方向。最后，第 7 节总结了本文。
- 区块链技术概述
本节介绍区块链中采用的主要技术。我们首先介绍区块链中使用的基本信任机制（即共识机制），然后解释节点之间的同步过程。之后，我们介绍了区块链的两个发展阶段。
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- 共识机制
作为一个去中心化的系统，区块链系统不需要第三方信任的权威。相反，为了保证数据和交易的可靠性和一致性，区块链采用了去中心化的共识机制。 在现有的区块链系统中，主要有四种共识机制[21]：PoW（Proof of Work）、PoS（Proof of Stake）、PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）和DPoS（Delegated Proof of Stake）。其他共识机制，如 PoB（带宽证明）[22]、PoET（流逝时间证明）[23]、PoA（权威证明）[24]等，也用于一些区块链系统中。两个最流行的区块链系统（即比特币和以太坊）使用 PoW 机制。 以太坊也加入了 PoA 机制（即 Kovan 公测链 [25]），其他一些加密货币也使用 PoS 机制，如 PeerCoin、ShadowCash 等。
PoW 机制使用谜题的解决方案来证明数据的可信度。谜题通常是一个计算困难但易于验证的问题。当一个节点创建一个块时，它必须广播到其他节点，从而达到共识的目的，如图1所示。
图 1. PoW 共识机制
在不同的区块链系统中，区块结构可能在细节上有所不同。通常在比特币中，每个块都包含 PrevHash、nonce 和 Tx [26]。其中 PrevHash 表示最后生成的区块的哈希值，Tx 表示该区块中包含的交易。nonce 的值是通过解决 PoW 谜题获得的。一个正确的随机数应该满足方程式中所示的哈希值。 (1) 小于一个目标值，可以调整它来调整 PoW 谜题的难度。
SHA256(PrevHash || Tx1 || Tx2 || . . . || nonce) lt; 目标值 (1)
PoS 机制使用加密货币的所有权证明来证明数据的可信度。在基于 PoS 的区块链中，在创建区块或交易的过程中，用户需要支付一定数量的加密货币。如果创建的区块或交易最终可以被验证成功，加密货币将作为奖励返还给原始节点。否则会被罚款。在 PoW 机制中，需要大量的计算，造成计算能力的浪费。相反，PoS 机制可以大大减少计算量，从而提高整个区块链系统的吞吐量。
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- 块传播和同步
在区块链中，每个全节点都存储着所有区块的信息。 作为建立区块链共识和信任的基础，区块传播机制可以分为以下几类[27]、[28]、[29]：
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- 基于广告的传播。这种传播机制起源于比特币。当节点 A 接收到一个区块的信息时，A 将向其连接的节点发送一条 inv 消息（比特币中的一种消息类型）。当节点 B 接收到来自 A 的 inv 消息时，它将执行以下操作：如果节点 B 已经有了这个区块的信息，它就什么也不做。如果节点 B 没有信息，它会回复节点 A。当节点 A 收到节点 B 的回复消息时，节点 A 会将这个区块的完整信息发送给节点 B。
- 区块头传播。这种传播机制是对基于广告的传播机制的改进。在区块头传播机制中，节点 B 会向节点 A 发送 区块头消息（比特币中的一种消息类型），当节点 A 收到一个区块的信息时，会直接将区块头信息发送给节点 B。与广告相比基于传播机制，节点A不需要发送inv消息，从而加速了区块传播。
- 主动推送传播。在主动推送机制中，一个区块被挖出后，矿工会直接将该区块广播给其他节点。在这种传播机制中，没有 inv 消息和区块头消息。与前两种传播机制相比，主动推送机制可以进一步提高区块传播的速度。
- 中继网络传播。这种传播机制是对主动推送机制的改进。在这种机制下，所有矿工共享一个交易池。每笔交易都替换为一个全局ID，这将大大减少广播的块大小，从而进一步降低网络负载，提高传播速度.
- 推送/广告混合传播。这种混合传播机制用于以太坊。我们假设节点 A 有 n 个连接的对等点。在这种机制下，节点 A 会直接将区块推送给 n 个对等节点。对于其他 nn 个连接的对等点，节点 A 将向它们通告块哈希。
图 2. 节点之间的块同步过程。
不同的区块链系统可能使用不同的块同步过程。在以太坊中，节点 A 可以向节点 B 请求块同步，但总体难度更大。 具体流程如下（如图2所示）[27]、[28]、[29]：
- 节点 A 向节点 B 请求最新区块的头部，这个动作是通过发送 GetBlockHeaders 消息来实现的。 节点 B 将向节点 A 回复一个 BlockHeaders 消息，其中包含 A 请求的块头。
- 节点A请求MaxHeaderFetch区块从节点B寻找共同祖先。MaxHeaderFetch的默认值为256，但节点B发送给A的区块头数可以小于该值。
- 如果A经过以上两步还没有找到共同祖先，节点A会继续发送GetBlockHeaders消息，每次请求一个区块头。 此外，A 重复二进制搜索以在其本地区块链中找到共同祖先。
- 节点A发现共同祖先后，A向共同祖先请求区块同步。 在这个过程中，A 每次请求都会请求 MaxHeaderFetch 块，但是从 B 发送到 A 的实际节点数可能小于这个值。
图 3. 查询比特币交易历史。
图 4. 用比特币支付。
图 5. 用比特币收款。
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- 技术开发
从第一个区块链系统比特币诞生以来，区块链技术经历了区块链1.0和区块链2.0两个发展阶段。
在区块链 1.0 阶段，区块链技术主要用于加密货币。除了比特币，还有很多其他类型的加密货币，比如莱特币、狗狗币等等。目前有超过 700 种加密货币，它们的总市值超过 260 亿美元 [30]。加密货币的技术栈可以分为两层：底层去中心化账本层和协议层[31]。加密货币客户端，如比特币钱包[32]，运行在协议层进行交易，如图3、图4、图5所示。与传统货币相比，加密货币具有以下特点和优势[33]
(1)不可逆、可追溯。使用加密货币进行转账和支付操作是不可逆的。一旦行为完成，就不可能撤回。此外，所有用户行为都是可追溯的，这些行为都永久保存在区块链中。
(2) 去中心化和匿名。加密货币的整个结构没有第三方组织参与，也没有像银行那样的中央管理。此外，所有用户行为都是匿名的。因此，根据交易信息，我们无法获取用户的真实身份
(3) 安全且无需许可。加密货币的安全性由公钥密码学和区块链共识机制保证，犯罪分子难以破解。此外，使用加密货币无需申请任何权限或许可。用户可以通过相关客户端简单地使用加密货币
(4) 快速和全球化。使用加密货币只需几分钟即可完成交易。由于加密货币主要基于公共链，因此世界上任何人都可以使用它们。因此，用户的地理位置对交易速度影响不大。
表 1. 支持智能合约的区块链系统统计（截至 2017 年 5 月）
在区块链 2.0 阶段，引入了智能合约，开发者可以通过智能合约创建各种应用。智能合约可以被认为是一个轻量级的 dAPP（去中心化应用程序）。以太坊是区块链 2.0 的典型系统。每个以太坊节点都运行一个执行智能合约的 EVM（以太坊虚拟机）。除以太坊外，其他几个区块链系统也支持智能合约，其信息列于表 1 [34]。在以太坊中，开发者可以使用多种编程语言来开发智能合约，例如 Solidity（推荐语言）、Serpent 和 LLL。由于这些语言是图灵完备的，智能合约可以实现丰富的功能。图 6 展示了智能合约的开发、部署和交互过程。每个部署的智能合约对应一个唯一的地址，用户可以通过该地址通过不同客户端（例如 Parity、Geth 等）的交易与智能合约进行交互。由于智能合约可以通过消息相互调用，开发者可以基于可用的智能合约开发更多功能丰富的dAPP。与传统应用程序相比，dAPP具有以下特点和优势[35]：
(1) 自治。dAPP是在智能合约的基础上开发的，智能合约在区块链上部署和运行。 因此，dAPP 可以自主运行，无需任何第三方的协助和参与
(2) 稳定。 智能合约的字节码存储在区块链的状态树中。 每个全节点保存所有区块和 stateDB 的信息，包括智能合约的字节码。 因此，某些节点的故障不会影响其运行。 这种机制保证了dAPP 可以稳定运行
(3) 可追溯。由于智能合约的调用信息以交易的形式存储在区块链中，因此dAPP的所有行为都被记录和可追溯
(4) 安全。公钥密码学和区块链共识机制可以保证
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