叔块验证与网络安全性

以太坊爱好者阅读 58 2021-4-14 16:14

在一个共识协议中，最简单的错误也会导致灾难。

叔块验证与网络安全性

我准备开一个系列，讲解我在 go-ethereum（Geth 客户端）（以太坊协议的正式 Go 语言实现）中发现的 Bug，本篇是第一篇。虽然阅读这系列文章不需要你对 Geth 有多深的理解，但懂得以太坊协议是怎么运行的，会很有帮助。

这篇文章讲的是 Geth 客户端叔块验证程序中的一个 bug，传入一个专门构造的叔块后，该程序的行动是错误的。如果该漏洞被利用，会导致 Geth 节点和 Parity 节点发生分叉。

区块与叔块

每一条区块链都会在运行中产生一条大家都认可的主链（canonical chain）；而主链的辨识方法也是协议定义好的：最长的链，或者总工作量最大的链，等等。不过，网络的延迟意味着，可能会有两个区块在同一时间生成。那么，只有其中一个能最终成为主链的一部分，而另一个则必须被抛弃。

某些区块链协议，比如比特币，会完全无视掉这些被落败的区块，让它们成为主链的 “孤块（orphan）”。另一些区块链协议，比如以太坊，依然会奖励挖出这些落败区块并努力传播它的矿工。在以太坊的语境中，这些仍然成为了主链一部分的孤块叫做 “叔块（uncle block）”。

但一个块要成为一个有效的叔块，还需满足一些条件：（1）该区块本身的所有内容都必须是有效的（根据正常的共识规则）；（2）区块与其意图标记的叔块，两者的块高度相差不超过 6（一个叔块挖出后，只有在未来的 6 个区块以内被标记为叔块，才是有效的）。但是，这里有个例外：虽然正常的区块的时间戳间隔不应超过 15 秒，但叔块则无此限制。

关于整数的一个小插曲

大部分的编程语言都有依赖于平台的整数（platform-dependent integer）和定长整数（fixed-width integer）两种概念。依赖于平台的整数可能是 32 位或者 64 位的（等等），取决于程序所在的编译平台。在 C/C++ 和 Go 语言中，你可能会使用 uint，而在 Rust 中，你会使用 usize。

但是，有些时候程序员想要保证其程序变量可以存储 64 位的数据，即使程序运行在 32 位的平台上。这时候，程序员可以使用定长的整数类型。在 C/C++ 中就是 uint64_t，Go 语言是 uint64，而在 Rust 中是 u64。

使用这些语言自带的整数型的好处是，它们都具备最高优先级（first-class citizen），使用起来都非常简单。来看看这个支持 64 位整数的 Collatz Conjecture 实现：

func collatz(n uint64) uint64 { if n % 2 == 0 { return n / 2 } else { return 3 * n + 1 }}

但是，这个实现有个瑕疵：它不支持超过 64 位的整数。因此，我们需要大整数（big integers）。大多数语言都支持大整数，要么是用自带的标准库（比如 Go 的 big.Int），要么是通过外部代码库（比如 C/C++ 和 Rust 都是如此）。

难搞的是，使用大整数有一个很大的缺点：很不灵活。我们用支持任意大整数类型的 Collatz Conjecture 把上面的程序再实现一遍：

var big0 = big.NewInt(0)var big1 = big.NewInt(1)var big2 = big.NewInt(2)var big3 = big.NewInt(3)func collatzBig(n *big.Int) *big.Int { if new(big.Int).Mod(n, big2).Cmp(big0) == 0 { return new(big.Int).Div(n, big2) } else { v := new(big.Int).Mul(big3, n) v.Add(v, big1) return v }}显然，64 位的版本既好写，又好读。所以，不意外的是，程序员都会尽可能使用简单的整数型。

例外 vs. 现实

在以太坊协议中，可以预期大部分数据都不会超过 256 位，虽然某些整数字段的长度是任意的，无法有任何预期。重点是，区块的时间戳 Hs 也定义为一个 256 位的整数。

叔块验证与网络安全性

- 以太坊黄皮书，P6 -

Geth 团队尝试通过验证叔块的时间戳是小于 2^256 - 1 的整数来满足这个定义。再次提醒，叔块的出块时间不受任何限制。

// Verify the header's timestampif uncle { if header.Time.Cmp(math.MaxBig256) > 0 { return errLargeBlockTime }} else { if header.Time.Cmp(big.NewInt(time.Now().Add(allowedFutureBlockTime).Unix())) > 0 { return consensus.ErrFutureBlock }}

- 来源 -

但是，接下来的代码却要将区块时间戳强制调整为一个 64 位的整数，以计算该区块的正确难度。

// Verify the block's difficulty based in it's timestamp and parent's difficultyexpected := ethash.CalcDifficulty(chain, header.Time.Uint64(), parent)- 来源 -

如果 Parity 也是一样的做法，那也不会有什么大问题。但是，Parity 的时间戳在 2^64 - 1 就已到达上限，不会再溢出了。

let mut blockheader = Header { parent_hash: r.val_at(0)?, uncles_hash: r.val_at(1)?, author: r.val_at(2)?, state_root: r.val_at(3)?, transactions_root: r.val_at(4)?, receipts_root: r.val_at(5)?, log_bloom: r.val_at(6)?, difficulty: r.val_at(7)?, number: r.val_at(8)?, gas_limit: r.val_at(9)?, gas_used: r.val_at(10)?, timestamp: cmp::min(r.val_at::(11)?, u64::max_value().into()).as_u64(), extra_data: r.val_at(12)?, seal: vec![], hash: keccak(r.as_raw()).into(),};- 来源 -

也就是说，如果有个恶意的矿工，在所出的区块里纳入了一个叔块，该叔块的时间戳是 584942419325-01-27 07:00:16 UTC，也就是 unix 时间 2^64，那么 Geth 会用 Unix 时间 0 来计算难度，而 Parity 会用 unix 时间 2^64 - 1 来计算难度。结果会不一样，所以其中一个客户端会在验证叔块后从主链分裂出去。

Geth 团队在 PR 19372 中修复了这个 Bug，切换到所有时间戳都使用 unit64 。