区块链分叉带来的安全挑战

慢雾科技 view 17107 2022-9-21 09:33

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。

区块链分叉带来的安全挑战

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。

应用层

我们把建立在交易上的应用，如基于虚拟机的智能合约，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。