一文浅析区块链分叉带来的安全挑战

区块链分叉分为软分叉和硬分叉。本文主要探讨的是硬分叉,一种不支持向后兼容的软件升级方式。硬分叉是共识的分裂或者改变,共识就是区块链系统中各节点达成数据一致性的算法,正常情况下每个节点需要运行相同规则的算法,例如比特币运行的是基于PoW(工作量证明)共识,以太坊曾经也是 PoW 共识,最近通过 “The Merge” 切换到了PoS共识算法。分叉的原因有很多,在区块链当中是一种很常见的现象,通常是短距离的分叉,这和共识算法有关,同一个高度上有时会出现相互竞争的区块,但最终有的区块会被放弃,只保留一个区块。但硬分叉不同,这一种是有计划有目的的分叉,一些节点客户端部署了与原网络不同的程序版本,生产出的区块只能在分叉链上通过验证,无法被原网络接受,也不接受原网络的区块。例如近期热门的 EthereumPoW(ETHW)分叉。如果要成功分叉一条区块链并不容易,并非直接复制原网络的代码即可,需要进行基本的修改才能保证它安全运行,为此,我们总结了几种常见的安全问题及防护方法。网络层由于分叉链是独立于原网络的区块链,首先需要在网络层(P2P)进行隔离:1、种子节点种子节点,也称 bootnode 或者 seednode,是区块链启动时网络首先会尝试进行连接的节点。分叉链在启动时首先连接种子节点列表里的节点,从而进一步发现网络中其它的对等节点,然后才能进一步同步区块,达成共识。因而必须要修改种子节点列表,防止连接到原网络的节点。2、异形攻击即使种子节点列表改变了,但并不代表分叉网络不会连接到原网络,因为双方的 P2P 协议是相同的,如果有一个节点无意中添加了另外一个网络的节点连接,那么两个节点将成功握手,并将对方添加到节点地址池。不仅如此,双方节点还会将自己节点里的地址分享给对方,进而造成双边网络节点池互相污染。关于这个问题,慢雾此前曾单独披露过《冲突的公链!来自 P2P 协议的异形攻击漏洞》。为了解决地址池互相污染的问题,需要在通信协议上做网络识别。早期的以太坊并不支持网络分隔,但后续的版本中在协议里加入了 NetworkID 做为网络区分的标志,NetworkID 通常是每个链的 ChainID,例如以太坊主网的 NetworkID 和 ChainID 都为 1.而 ETHW 初始版本中并未对 NetworkID 进行分叉,可能存在异形攻击漏洞。在比特币网络中,使用的是 Magic 值来标识不同的网络,通常在 chainparams 里进行定义,例如比特币主网值为F9BEB4D9.测试网值为FABFB5DA。共识层1、交易隔离通常与区块链交互时,我们需要用自己的私钥签署一笔交易,随后这笔交易被广播到网络,并被矿工或者出块节点打包到区块中。但如果区块链出现分叉,这笔交易可能会被两个网络分别打包到不同的区块当中,假设这是一笔原链上 的转账,那么分叉链上也会有相同的一笔转账,显然这是一个非预期行为,会造成资产损失。这时就需要对交易进行重放保护,在早期以太坊的版本中没有做这样的保护,后来 EIP155 之后在交易结构中加入了 ChainID,确保用户签署的交易只用于当前网络。如果对以太坊进行分叉,那么也需要对 ChainID 进行重新定义,当然这并不是只修改配置里的 ChainID 这么简单,因为分叉链需要对旧的区块做兼容,所以需要在分叉高度之后使用新的 ChainID,才能保证分叉链正常运行。比特币的交易结构中不存在 ChainID,那么它是如何做重放保护的呢?比特币使用了一种叫做 UTXO 的模型,简单说它是对一笔交易(UTXO)进行花费,而不是对账号进行花费,通常全新启动的网络不会存在相同的两笔交易,也就不存在重放的场景。但是在硬分叉的情况下,还是会存在交易重放的问题,例如 2017 年的BCH分叉以及后来的BSV分叉。BCH 通过在交易数据签名添加SIGHASH_FORKID(0x40),使得 BCH 上的交易和BTC的交易不再互相兼容,从而达到重放保护的目的。2、算力调整在分叉前,原链占有全网所有的算力,那么依据 PoW 共识算法,它的出块计算难度也是比较高的。分叉后,算力分散到不同的区块链上,那么分叉链由于共识不足通常无法获得足够的算力去生产新的区块,区块的增长会陷入停滞。这时有必要降低分叉后的初始计算难度,给分叉链赢得一个快速调整算力的时间窗口。3、防范 51% 攻击网络和交易都隔离开了,区块链分叉了,新区块顺利产出,一切都看似正常。然而安全问题依旧突出,它依旧存在一种更普遍、更难以防御的攻击:51% 攻击。挖矿是逐利的,当出现分叉币时,哪边的挖矿收益高矿工就会把算力切换到那个网络,但现实是分叉币往往币价低,导致整体的算力十分低。以 ETHW 分叉为例,我们从 2miners 上看到,原 ETH 网络算力峰值最高超过 900TH/s,而在写稿时 ETHW 的算力只有 30TH/s 左右,大量算力消失并不是好事,它随时可以对 ETHW 发起 51% 攻击。对于这种 51% 攻击的防范几乎没有什么很好的方法,只能通过增加确认数来防范。智能合约,统归为应用层。区块链在分叉时,也会对运行在区块链上的应用产生巨大影响。1、签名重放签名重放与上文提到的交易重放是相同道理的,有一些合约,例如 Gnosis Safe,它会在合约里验证用户的签名,如果签名里没有包含 ChainID,那么这个签名非常可能可以在两个链上重放,导致资产损失。2、预言机失效分叉后的区块链多数智能合约依旧可以正常运行,例如 Token 合约、AMM 合约,这些自运行系统不依赖于链下数据就可以稳定运行,但类似MakerDAO等借贷系统,高度依赖预言机的价格数据,在失去链下喂价支持后,它将无法继续运行下去。3、价格剧变区块链分叉了,一个应用同时运行在两个链上,用户该使用哪个链上的应用?哪个算是“正统”的呢?这个问题又回到了共识上,通常哪个区块链拥有正统的共识,那么它上面的资产就会保留原有的价值共识,而另一个区块链上的资产会在瞬间失去价值。这种价格上的剧烈变化,会导致DeFi应用彻底崩溃,借贷应用永远无法平仓,有一些有识之士会抓住分叉的时间窗口,把“归零”的资产通过 AMM 等应用兑换成主链代币,从而保留了一些价值,在 ETHW 分叉事件中,我们观察到了大量分叉链上的套利行为。总结至此,我们从网络层、共识层和应用层对区块链分叉的安全性进行了分析,可以看到其中存在的技术风险,对于分叉我们需要十分审慎地对待。并且,不少分叉的背后不仅仅是技术变革的需要,有的可能存在商业上的直接利益,例如发起方在分叉中直接获取大量的分叉币,这些都需要用户准确认识,避免不必要的损失。区块链是一种去中心化的系统,它的升级不依赖于单一个人或组织,因此分叉在区块链里难以避免,虽然给社区用户带来混乱,但也促进了系统向前发展以更好地服务社会。