很多加密安全事故都和智能合约攻击有关,了解针对智能合约的 4 种审查攻击以及应对之法。

原文标题:《观点 | 如何防范对智能合约的审查攻击?》(Fighting censorship attacks on smart contracts)
撰文:Ed Felten
翻译 & 校对:IAN LIU & 阿剑

在智能合约系统的设计中,一种常见的模式是要求客户端在某个时间节点前采取某些行为;如果客户端超过这个时间点(如,某个区块高度)没有响应,则智能合约会采取一些替代行动,而且通常来说是对逾时的客户端不利的行动。

本文中,我的关注点是交互式 Rollup 协议会用到的类似模式 —— 由某一方提出 「断言(assertion)」,其他人如果觉得断言有问题,可以在 「挑战窗口期」 内提出挑战;如果挑战期内没有人提出任何挑战,则这个断言就会被视为有效的。

这种设计模式在实践中会遇到的问题是审查攻击(censorship attack)—— 攻击者阻挠其他人在时间窗口内提出挑战。在交互式 Rollup 协议中,攻击者可能会提出虚假的 「断言」,同时阻止其他人在窗口期发起挑战,最终导致虚假的断言反倒成为合法的。

我们也假设,攻击者必须先投入一笔资金,一旦攻击失败,它会失去这笔钱;这样一来,我们不需要让系统被成功攻击概率为零,而只要确保攻击成功概率足够小,就不会有人愿意去尝试攻击整个系统。

下文,我会总结有关审查攻击的知识,以及如何对抗审查攻击,最后给出我对这种风险的看法。

审查攻击的类型

审查攻击主要有四种:

  1. 分叉:矿工串通(或被贿赂)弃置包含正常挑战的区块,并通过分叉,使另一条没有包含任何挑战的区块链被接受。
  2. 闪躲:矿工密谋(或被贿赂)在出块时不打包正常的挑战。
  3. 干扰:攻击者通过传统的拒绝服务攻击(DoS),使得其他人无法提出挑战(无法发出包含挑战的交易)。
  4. 速攻:攻击者在很短的时间内提出大量的链上断言,让其他人来不及在时间窗口内对所有断言进行检查和挑战。

我们一个一个分别讨论。

分叉攻击

分叉攻击是指在工作量证明(PoW)区块链上,攻击者获得大多数挖矿算力,并根据需求使用这些算力来孤立包含挑战的区块。

因为这类攻击要求攻击者控制绝大部分算力,所以很难发起——如果攻击者能够轻易获得大部分算力,表示这条区块链本身就有很大的问题。或者换个角度想,一个能够控制绝大部分挖矿算力的卡特尔,一方面会导致大家不信任他们所在的区块链,另一方面,可能也会有比审查攻击能更快从系统中榨出油水来的办法。

你可能会说,慢着!算力垄断者可能并不会高调地声张,只是偷偷摸摸地搞审查;如果攻击者有能力这么做,他们可能会在避免整个区块链信誉受损的前提下,通过分叉进行审查攻击。

这里引出第一个问题:审查攻击对于旁观者来说,是否易于察觉?为了证明分叉攻击是显而易见的,我模拟了分叉。假设攻击者控制了 60% 的算力,在前三十个区块中,出现三条分叉链,长度分别是 1、6、5;这和一般的区块链完全不同。我又做了一次模拟,这次攻击者控制 55% 的算力,这时候一个较早期的分叉可长达 48 个块。根据简单的数学模型预测,当垄断了 60% 的算力,则每 2.5 块会发生一次分叉,分叉导致的孤链平均长度为 5 ;当垄断了 55% 的算力,则每 2.2 块会发生一次分叉,分叉导致的孤链平均长度为 10。

可以看到,随着垄断的算力下降,分叉发生的频率及孤链长度反而增加了;但无论分叉长短,它们的共同之处是(首块共性):在孤立分支上的首个区块一定包含有效挑战,而最终成为主链的分支则绝对不会包含这个挑战 —— 提出该挑战的人一定会发现这点!(攻击者可能会试图在更远处进行分叉来避免首块共性,但这会导致分支过长,而最终孤立的分支仍包含该挑战。)所以审查攻击一旦发生,就一定会被人发现。

我不知道你会怎么想,但如果我发现区块链中存在算力垄断现象,而且垄断者会时不时使用算力干扰应用层协议,我会感到非常担忧。如果其他人也有这种疑虑,整个区块链将不再被用户所信任——任何 51% 算力攻击皆会导致这个结果。

换言之,这种攻击的问题并不是有人会审查你的应用层的交易,而是你所处的区块链存在算力垄断者,它可以为了利益不受约束地破坏规则。对于任何区块链应用来说,不论 TA 是否采用窗口期设计模式,只要出现了这种算力垄断,就是毁灭性的打击。

如果你所在的区块链可能出现分叉攻击,你应考虑转移到其他区块链。

闪躲攻击

如果算力垄断者不采用容易被发现的分叉攻击,还有别的诡计吗?有的,就是闪躲攻击。恶意矿工只要在出块时,拒绝打包包含挑战的交易就行了;只要确保挑战窗口期内所产的区块,都由恶意矿工产出,攻击就能成功。

闪躲攻击成功的可能性有多大?可以这么解释:当垄断者控制的算力比例为 f ,挑战窗口期为 n 个区块,则攻击成功率为 f n。举例来说,垄断者控制了 90% 的算力,挑战窗口期为 50 个区块,则攻击成功率为 0.5 %(如果控制了 95% 的算力,攻击成功率还要维持在 0.5 %,则窗口期要增加为 100 个区块)。如果攻击者要为攻击失败支付大量罚金 —— 就像 rolluo 协议所设计的那样 —— 他们就不会肆无忌惮地攻击;而且如果罚没的钱能返给受害者,大家还会喜闻乐见这些未遂的攻击。

所以应对闪躲攻击的办法是确保挑战窗口期足够长,使得攻击成功概率低至用户能接受的范围;假设你能接受的攻击成功率为 r ,攻击者至多能控制 f 的算力,则安全的挑战窗口期为 log(r)/log(f) 个区块。

这个建议在现实中也是合理的;假设攻击者能够垄断 99% 的算力,要保证攻击成功率低至 0.1%,则挑战窗口期至少要等于 log(0.001)/log(0.99) = 687 个区块,对于以太坊来说只需要不到三小时。

干扰攻击

在干扰攻击情况下,攻击者通过「传统的拒绝服务攻击」,来阻止其他人发出挑战;也就是「以 DoS 进行审查攻击」。

干扰攻击的问题是,攻击者必须阻止 「所有」 可能提交挑战的参与方,如果这些参与方足够多,则干扰攻击就很难成功。

对于攻击者来说还有个坏消息是,其他利益相关方可能会暗中雇用监视者 —— 一个暗中观察协议运行的中间方,在参与者来不及或难以发出挑战时介入,对无效的断言发起挑战。攻击者没办法辨别这些潜伏的监视者,也就没办法对他们发起 DoS。

综上,对于攻击者来说,干扰攻击似乎不是个好选择。

速攻

速攻指的是,攻击者发布大量的断言,使得其他人来不及在挑战窗口期内检查所有断言。

任何的 Rollup 协议都需要有防御速攻的机制,其中一种方法是对提出断言的频率进行限制,保证协议在设定的挑战窗口期内的任何时间点,全网都有足够的能力去检查待处理的断言或挑战。

这类机制会在一条 Rollup 区块链上,针对智能合约的处理能力实施一种 「速限手段」 ——即使存在某个能快速提出大量断言的人,他最终也不得不慢下来,确保其他正常参与者能跟上。

所以要衡量一个 Rollup 系统的可扩展性,其中一个很重要的指标就是它在保证安全的前提下的最大速度限制;速限指的是一个系统能安全处理事务的速率,而不是某个参与者能够产出断言的极限速率。

总结

综上所述,有三种审查攻击能够通过合理的设计或实践来避免。

  • 防范闪躲攻击:评估攻击者的资源和风险承受能力,制定合理的挑战窗口期。
  • 防范干扰攻击:自行雇用(或通过可信的权威方雇用)潜伏的监视者,当你出差池的时候这些监视者能够代替你发起挑战。
  • 防范速攻:更细致的设计 Rollup 协议。

关于分叉类型的审查攻击则很难分析;因为某种程度上来说,成功的分叉攻击会留下明显的证据,证明该链上存在算力垄断者,而这些算力垄断者会更愿意采取其他更快获得收益的攻击 —— 比如双花。任何存在算力垄断的区块链都已经病入膏肓,那又何必为这种情况下的审查攻击而操心呢?

来源链接:medium.com