區(qū)塊鏈如何防止受到側(cè)信道攻擊

在游戲《最終幻想》中，來(lái)自蘭迪斯共和國(guó)的全能戰(zhàn)士巴修被稱(chēng)為最強(qiáng)之盾，他身經(jīng)百戰(zhàn)、勇猛果斷，被子民視為英雄。而在區(qū)塊鏈世界，Zcash、門(mén)羅幣、零知識(shí)證明等存在，也被稱(chēng)為隱私的最強(qiáng)之盾，它們可以有效確保交易信息不被泄露，然而，這個(gè)世界真的存在密不透風(fēng)的墻嗎？

本期的學(xué)術(shù)分享，我們重點(diǎn)推薦斯坦福大學(xué)教授Dan Boneh等人最新的研究成果《針對(duì)匿名交易的遠(yuǎn)程側(cè)信道攻擊》。

而在硬核技術(shù)文章精選部分，我們還會(huì)看到zkSNARK 證明優(yōu)化、Taproot/Schnorr升級(jí)、閃電網(wǎng)絡(luò)局限性、Substrate等內(nèi)容。

另外，在過(guò)去的一周當(dāng)中，以太坊1.X、以太坊2.0以及Layer 2也迎來(lái)了眾多技術(shù)進(jìn)展。

比特幣作為最大的加密貨幣，其交易其實(shí)并不是匿名的，眾多學(xué)術(shù)研究已經(jīng)表明，比特幣的交易圖可以被有效去匿名化，即使是很多所謂的匿名加密貨幣也是如此。

而對(duì)于那些希望在公共區(qū)塊鏈上獲得交易隱私的用戶(hù)而言，像Zcash、門(mén)羅幣（Monero）這樣的匿名加密貨幣系統(tǒng)，因使用了相當(dāng)高級(jí)的密碼學(xué)原語(yǔ)，例如簡(jiǎn)潔零知識(shí)證明（zkSNARKs）和環(huán)簽名（ring signatures），從而提供了更高程度的不可鏈接性。那使用這樣的系統(tǒng)，用戶(hù)可以高枕無(wú)憂(yōu)了嗎？

實(shí)際上，盡管它們擁有了強(qiáng)大的密碼學(xué)原語(yǔ)保護(hù)，但還是會(huì)存在一些協(xié)議層的隱私攻擊方式會(huì)對(duì)這些系統(tǒng)的隱私性構(gòu)成威脅，這也是斯坦福大學(xué)教授Dan Boneh等密碼學(xué)大牛最新的研究成果。

原論文鏈接：https://crypto.stanford.edu/timings/paper.pdf

（注：研究者向Zcash和Monero安全團(tuán)隊(duì)披露了這些攻擊，并且他們已在最新版本客戶(hù)端中修復(fù)了相關(guān)漏洞。例如，Zcash v2.0.7-3版本客戶(hù)端引入了初始修復(fù)，v2.1.1-1版本客戶(hù)端為區(qū)塊處理中的時(shí)間側(cè)信道引入了進(jìn)一步的修復(fù)。而Monero則在v0.15.0版本客戶(hù)端中引入了修復(fù)。將客戶(hù)端更新到最新版本的用戶(hù)，將不易受到此類(lèi)攻擊的威脅。另外，由于攻擊需要監(jiān)視和參與Zcash或Monero網(wǎng)絡(luò)，因此此類(lèi)攻擊并不能追溯以往的交易。）

1、1 匿名支付系統(tǒng)的架構(gòu)

在描述相關(guān)攻擊之前，我們先來(lái)了解下隱私加密貨幣（以Zcash和Monero為例）的一些核心設(shè)計(jì)概念。這些加密貨幣是建立在比特幣的UTXO（未花費(fèi)交易輸出）模型之上的，即每筆交易會(huì)花費(fèi)以前交易的輸出，并產(chǎn)生新的輸出。這些UTXO的集合會(huì)記錄在區(qū)塊鏈中，并表示流通中的總貨幣。

貨幣的每個(gè)用戶(hù)都擁有一個(gè)或多個(gè)公鑰（也稱(chēng)為地址），并且連接到P2P網(wǎng)絡(luò)以發(fā)送和接收交易。

隱私目標(biāo)：在比特幣中，UTXO是一個(gè)（amount，pk）元祖（tuple），其中pk代表接收者的公鑰。為了以后使用這個(gè)UTXO，接收者在相應(yīng)的密鑰下生成一個(gè)簽名。這樣，一筆交易就顯示了所用貨幣的數(shù)量、資金的來(lái)源（即使用了哪些UTXO）及其目的地（即新UTXO所有者的公鑰）。

此外，用戶(hù)的公鑰可鏈接至其向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送交易時(shí)連接到的P2P節(jié)點(diǎn)。

而Zcash和Monero等匿名加密貨幣，旨在提供以下更強(qiáng)的隱私保障：

1. 保密性：交易不披露交易金額；

2. 不可追蹤性：當(dāng)交易花費(fèi)UTXO時(shí)，很難識(shí)別交易生成了該UTXO；

3. 不可鏈接性：給定兩筆發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的交易（最多有一筆是由對(duì)手發(fā)送），則對(duì)手無(wú)法判斷它們是否支付相同的地址。此外，給定兩個(gè)地址，對(duì)手無(wú)法確定它們是否屬于同一用戶(hù)；

4. 用戶(hù)匿名：給定用戶(hù)地址（即公鑰），對(duì)手無(wú)法確定該地址的所有者如何連接到P2P網(wǎng)絡(luò)；

而這些隱私保障，通常是通過(guò)密碼學(xué)技術(shù)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，下面我們將簡(jiǎn)單地描述下這些技術(shù)：

1. 保密交易技術(shù)（CT）隱藏了交易資金的數(shù)額，一筆保密交易的UTXO形式為（Commit（amount）， pk），也就是說(shuō)，它們只顯示交易金額的密碼學(xué)承諾。交易還包括證明其總余額為0的一個(gè)證明。

2. UTXO匿名集通過(guò)隱藏交易輸入的身份提供不可追蹤性。具體來(lái)說(shuō)，匿名交易不會(huì)顯示它花費(fèi)的UTXO，而只顯示一個(gè)超級(jí)UTXO集，以及這個(gè)集合中某些UTXO所有權(quán)的零知識(shí)證明。

3. 混淆及多樣化地址保證不可鏈接性。為了防止發(fā)送到同一地址交易的可鏈接性，匿名交易的UTXO包含一個(gè)“混淆”公鑰（例如，Zcash中對(duì)該密鑰的承諾）。多樣化地址（或Monero中的子地址）使得用戶(hù)能夠匿名地與多個(gè)實(shí)體進(jìn)行交易，而無(wú)需管理多個(gè)密鑰。通過(guò)單個(gè)密鑰sk，用戶(hù)可以創(chuàng)建多個(gè)公鑰pk1，…… pkn。這些密鑰是不可鏈接的：很難確定兩個(gè)公鑰pk、pk0是否來(lái)自于同一個(gè)密鑰。

區(qū)塊鏈掃描是不可鏈接性的技術(shù)后果。由于匿名交易的UTXO并不會(huì)清晰顯示接收方的公鑰，因此用戶(hù)必須掃描每筆新交易并執(zhí)行各種密碼學(xué)操作，以檢查交易是否和它們有關(guān)。

用戶(hù)匿名性由不可追蹤性和不可鏈接性保證。由于交易不會(huì)顯示發(fā)送方或接收方的公鑰，因此用戶(hù)的公鑰不能鏈接至其用于發(fā)送或接收交易的P2P節(jié)點(diǎn)。

區(qū)塊鏈如何防止受到側(cè)信道攻擊

（1）用戶(hù)的錢(qián)包創(chuàng)建一筆交易，這涉及到生成一個(gè)密碼學(xué)證明。此計(jì)算可以在本地執(zhí)行，也可以外包給遠(yuǎn)程服務(wù)。（2）錢(qián)包將新交易發(fā)送到P2P節(jié)點(diǎn)，P2P節(jié)點(diǎn)將其廣播到網(wǎng)絡(luò)中。（3）P2P節(jié)點(diǎn)與連接的錢(qián)包共享接收到的交易，連接可以是本地的或遠(yuǎn)程的。在交易創(chuàng)建期間，對(duì)手1a可以計(jì)時(shí)外包的證明生成，以泄漏某些交易秘密。在處理一筆新交易時(shí)，錢(qián)包作為交易的收款人時(shí)，其行為可能會(huì)發(fā)生變化。如果錢(qián)包連接到遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，這可以由觀察錢(qián)包和節(jié)點(diǎn)之間通信模式的對(duì)手1b，或控制該節(jié)點(diǎn)的對(duì)手3來(lái)推斷。如果錢(qián)包和節(jié)點(diǎn)位于同一位置，則與用戶(hù)的P2P節(jié)點(diǎn)交互的對(duì)手2，就可以推斷錢(qián)包行為的變化。

匿名交易的生命周期。圖1說(shuō)明了如何通過(guò)P2P網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建匿名交易，并與節(jié)點(diǎn)和錢(qián)包進(jìn)行共享：

1. 為了發(fā)送新的交易，用戶(hù)的錢(qián)包選擇一些UTXO，并產(chǎn)生零知識(shí)交易有效性證明；

2. 交易被發(fā)送到連接至錢(qián)包并與網(wǎng)絡(luò)共享的P2P節(jié)點(diǎn)。P2P節(jié)點(diǎn)將這些交易存儲(chǔ)在它們的“存儲(chǔ)池”（Mempool）中；

3. P2P節(jié)點(diǎn)與連接的錢(qián)包共享這些交易。錢(qián)包掃描每一筆新交易，以檢查它是否是交易的收款人。一旦一筆交易被納入?yún)^(qū)塊當(dāng)中，就會(huì)執(zhí)行步驟2和步驟3。當(dāng)一個(gè)區(qū)塊被挖掘時(shí)，該區(qū)塊及其包含的交易將被廣播到所有P2P節(jié)點(diǎn)。然后區(qū)塊的交易就和用戶(hù)的錢(qián)包進(jìn)行共享了。

1、2 攻擊結(jié)果

了解完匿名支付系統(tǒng)的架構(gòu)，我們來(lái)簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)下研究者提出的攻擊，究竟會(huì)帶來(lái)什么樣的后果。

據(jù)悉，這些攻擊是利用了系統(tǒng)不同部分泄露的通信模式或時(shí)間信息，攻擊者通過(guò)系統(tǒng)的方法，觀察匿名交易在系統(tǒng)中的生命周期。在每一步，研究者都會(huì)尋找側(cè)信道，并評(píng)估它們對(duì)用戶(hù)隱私的影響。

在圖1所示的匿名交易生命周期當(dāng)中，攻擊者可在這些步驟中的每一步觀察側(cè)信道信息，并嘗試了解有關(guān)交易的信息，例如：預(yù)期收款人的身份（例如，他們的公鑰或他們的P2P節(jié)點(diǎn)的IP地址）、交易轉(zhuǎn)移的資金量或資金來(lái)源。

下面是研究結(jié)果：

1、在Zcash中，用戶(hù)的錢(qián)包和P2P節(jié)點(diǎn)是在單個(gè)進(jìn)程中運(yùn)行的。錢(qián)包通過(guò)嘗試使用它的密鑰對(duì)其進(jìn)行解密，以檢查它是否是每個(gè)傳入交易的收款人。而這導(dǎo)致了側(cè)信道泄漏的兩個(gè)來(lái)源：（1）如果解密成功并且解密的交易（稱(chēng)為Note純文本）格式正確，則錢(qián)包將執(zhí)行額外的Pedersen承諾校驗(yàn); （2）如果解密成功，但是解密的交易格式不正確，則錢(qián)包會(huì)拋出一個(gè)異常，而該異常會(huì)傳播到節(jié)點(diǎn)的P2P層。

在第一種情況下，執(zhí)行額外Pedersen承諾檢查所花費(fèi)的時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致P2P節(jié)點(diǎn)對(duì)后續(xù)網(wǎng)絡(luò)消息的響應(yīng)出現(xiàn)延遲。

因此，研究者提出了一種稱(chēng)為PING的攻擊，攻擊者可使用ping響應(yīng)中的延遲，來(lái)推斷節(jié)點(diǎn)是否為交易的收款人。這破壞了交易的不可鏈接性。

在第二種情況下，研究者提出了一種REJECT攻擊，其中攻擊者小心地處理格式錯(cuò)誤的交易，在已知（但匿名）公鑰下對(duì)其進(jìn)行加密，并將其發(fā)送到目標(biāo)P2P節(jié)點(diǎn)。如果解密成功，則會(huì)觸發(fā)異常，并且目標(biāo)節(jié)點(diǎn)將明確的“reject”消息發(fā)送回攻擊者。

攻擊者在收到此消息后，其就能知道所選的公鑰屬于目標(biāo)P2P節(jié)點(diǎn)的所有者，而這違反了匿名性。

有關(guān)PING和REJECT攻擊的詳細(xì)信息，有興趣的讀者請(qǐng)參見(jiàn)原論文第四節(jié)。

2、對(duì)于Monero而言，其錢(qián)包和節(jié)點(diǎn)也在單獨(dú)的進(jìn)程中運(yùn)行，研究證明，支付接收會(huì)更改錢(qián)包及其節(jié)點(diǎn)之間的通信模式。

如果錢(qián)包連接到遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)（在移動(dòng)錢(qián)包中很常見(jiàn)，或者在首次與網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)很常見(jiàn)），則被動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)手可以推斷該錢(qián)包是否是最近交易的收款方。（有關(guān)細(xì)節(jié)，請(qǐng)參見(jiàn)原論文第五節(jié)）

此外，即使用戶(hù)的錢(qián)包和節(jié)點(diǎn)位于同一位置，研究者也表明，遠(yuǎn)程對(duì)手可引起和觀察節(jié)點(diǎn)資源的鎖競(jìng)爭(zhēng)（Lock Contention），來(lái)推斷錢(qián)包到節(jié)點(diǎn)的通信模式。

研究者在廣域網(wǎng)中驗(yàn)證了這種時(shí)間攻擊，一位位于倫敦的攻擊方可推斷受害者（在蘇黎世運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)和錢(qián)包）是否收到了付款。

對(duì)于Zcash和Monero而言，這類(lèi)攻擊使遠(yuǎn)程對(duì)手能夠通過(guò)識(shí)別每個(gè)交易收款人的P2P節(jié)點(diǎn)來(lái)鏈接匿名交易。如下面所述，攻擊可進(jìn)一步被利用于：（1）根據(jù)用戶(hù)的公鑰識(shí)別其P2P節(jié)點(diǎn)的IP地址；（2）打破屬于同一用戶(hù)的各種地址的不可鏈接性。

對(duì)于Zcash，這些攻擊還能夠：（3）在給定用戶(hù)公鑰的情況下遠(yuǎn)程導(dǎo)致Zcash節(jié)點(diǎn)崩潰，以及（4）在涉及用戶(hù)長(zhǎng)期秘密查看密鑰的（非恒定時(shí)間）ECDH密鑰交換上創(chuàng)建遠(yuǎn)程時(shí)間側(cè)信道，這可能導(dǎo)致查看密鑰的泄漏。

這些攻擊可能會(huì)使關(guān)注隱私的加密貨幣用戶(hù)處于危險(xiǎn)之中。例如，將用戶(hù)的匿名公鑰鏈接到其P2P節(jié)點(diǎn)的對(duì)手，可以發(fā)現(xiàn)用戶(hù)的真實(shí)身份或位置，一個(gè)打破不可鏈接性的對(duì)手，可以推斷哪些P2P節(jié)點(diǎn)屬于正在進(jìn)行交易的用戶(hù)。

3 zkSNARK生成中的側(cè)信道，此外，研究者還觀察到，在Zcash中，生成zkSNARK的時(shí)間不是恒定的，而是取決于交易金額的漢明權(quán)重（hamming-weight）等秘密信息。研究實(shí)驗(yàn)表明，目前的zkSNARK實(shí)現(xiàn)在實(shí)際中并非是零知識(shí)的：從時(shí)間泄露中收集的信息會(huì)使零知識(shí)屬性失效。如果對(duì)手能夠測(cè)量zkSNARK生成過(guò)程的運(yùn)行時(shí)間，則可以提取此信息。當(dāng)然，正如下文所解釋的，在當(dāng)前的Zcash系統(tǒng)中，可能很難利用這種泄漏。

1、3 攻擊方式概述

了解完了攻擊帶來(lái)的后果，我們重點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)下這類(lèi)通用攻擊方式，以及針對(duì)zkSNARK Prover的時(shí)間攻擊，而針對(duì)Zcash和Monero的具體攻擊方式，則省略不談。

1、威脅模型

本文所描述的攻擊屬于遠(yuǎn)程側(cè)信道攻擊。因此其并不要求受害者的軟件被替換，我們可以考慮這樣一個(gè)遠(yuǎn)程對(duì)手，如圖1所示：

1. 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)手（圖1中的對(duì)手1a和1b）監(jiān)視受害者錢(qián)包和遠(yuǎn)程服務(wù)（例如節(jié)點(diǎn)或驗(yàn)證程序）之間的加密通信量。

2. 一個(gè)P2P對(duì)手（對(duì)手2）參與P2P網(wǎng)絡(luò)。攻擊者可能會(huì)偏離P2P協(xié)議。

3. 一個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)對(duì)手（對(duì)手3）控制一個(gè)第三方P2P節(jié)點(diǎn)，并監(jiān)視受害者的錢(qián)包與該節(jié)點(diǎn)之間的（明文）通信。

2、攻擊類(lèi)型一：接收方側(cè)信道

研究發(fā)現(xiàn)，最實(shí)用和最普遍的側(cè)信道攻擊，會(huì)影響圖1所示的匿名交易生命周期的最后階段（即錢(qián)包處理新交易時(shí)）。這些攻擊使遠(yuǎn)程對(duì)手能夠破壞系統(tǒng)的不可連接性和匿名性保證。

這種攻擊利用了相關(guān)匿名加密貨幣普遍存在的設(shè)計(jì)缺陷，即用戶(hù)的錢(qián)包會(huì)定期檢查它是否是任何新交易的收款人。

目標(biāo)：這類(lèi)攻擊針對(duì)的是交易不可鏈接性和用戶(hù)匿名性。因此，攻擊者的目標(biāo)是：（1）確定兩筆交易是否支付相同的地址，（2）確定已知地址的用戶(hù)如何連接到P2P網(wǎng)絡(luò)。

這種攻擊針對(duì)的是錢(qián)包與P2P節(jié)點(diǎn)的常見(jiàn)部署，其實(shí)際目標(biāo)是識(shí)別交易收款人正在使用的P2P節(jié)點(diǎn)。在多個(gè)用戶(hù)將其本地錢(qián)包連接到共享遠(yuǎn)程P2P節(jié)點(diǎn)的設(shè)置中，網(wǎng)絡(luò)對(duì)手或遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)對(duì)手發(fā)起的攻擊，可進(jìn)一步識(shí)別出交易收款人使用的實(shí)際錢(qián)包。

這里考慮兩種不同的攻擊場(chǎng)景：

1. 對(duì)手知道一個(gè)匿名公鑰，并向該密鑰發(fā)送一筆交易，以確認(rèn)密鑰所有者用于接收交易的P2P節(jié)點(diǎn)（或錢(qián)包）。

2. 誠(chéng)實(shí)的用戶(hù)發(fā)送一筆交易，對(duì)手不知道預(yù)期的收款人或其公鑰。對(duì)手決定交易的收款人使用哪個(gè)P2P節(jié)點(diǎn)（或錢(qián)包）。

實(shí)際上，后一種攻擊場(chǎng)景包含了第一種情況，因?yàn)閷?duì)手可以將精心編制的交易發(fā)送到已知公鑰。后一種場(chǎng)景會(huì)直接導(dǎo)致交易不可鏈接性的中斷。

給定發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的兩筆交易，對(duì)手只需要確定兩筆交易的收款人是否使用了相同的P2P節(jié)點(diǎn)還是錢(qián)包。此外，這兩種攻擊場(chǎng)景都代表了用戶(hù)匿名性的中斷，并且可被用于其它隱私侵犯：

1. IP地址恢復(fù)，對(duì)手可以將公鑰鏈接到所有者P2P節(jié)點(diǎn)的IP地址（如果連接到遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，則可以鏈接到其錢(qián)包），除非所有者使用匿名工具（如Tor）。而此信息可被用于識(shí)別受害者，并對(duì)其進(jìn)行地理定位。

2. 鏈接多樣化地址，給定兩個(gè)公鑰，攻擊者可以確定它們是否屬于同一用戶(hù)。攻擊者向每個(gè)公鑰發(fā)送一筆交易，并檢查是否標(biāo)識(shí)了同一節(jié)點(diǎn)或錢(qián)包。這打破了多地址的不可鏈接性。

3. 恢復(fù)私鑰，這些攻擊背后的漏洞，也為通過(guò)時(shí)間側(cè)信道提取受害者的“查看”密鑰開(kāi)辟了途徑。竊取此密鑰，可以讓對(duì)手將發(fā)送給受害者的所有交易鏈接起來(lái)（但無(wú)法竊取受害者的資金）。

攻擊策略

研究者的攻擊利用了加密貨幣錢(qián)包（收款人和非收款人）處理交易的方式差異。

這種錢(qián)包行為的差異，其本身并不是問(wèn)題，因?yàn)檫h(yuǎn)程攻擊者無(wú)法直接與用戶(hù)的錢(qián)包交互。然而，研究發(fā)現(xiàn)，由于各種設(shè)計(jì)缺陷，錢(qián)包行為的差異影響了錢(qián)包與其P2P節(jié)點(diǎn)之間的交互。反過(guò)來(lái)，這就使得遠(yuǎn)程攻擊者可通過(guò)各種側(cè)信道推斷錢(qián)包到節(jié)點(diǎn)交互的變化。

對(duì)此，研究者提出了兩種通用攻擊策略：

策略1，錢(qián)包到節(jié)點(diǎn)通信的流量分析。如果錢(qián)包連接到遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，則網(wǎng)絡(luò)對(duì)手或遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)對(duì)手可觀察錢(qián)包到節(jié)點(diǎn)交互的變化。

策略2，從P2P層推斷錢(qián)包行為。如果錢(qián)包和節(jié)點(diǎn)位于同一位置，則遠(yuǎn)程對(duì)手無(wú)法觀察它們的交互。然而，如果錢(qián)包行為的變化，影響了用戶(hù)的P2P節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程對(duì)等節(jié)點(diǎn)之間的交互，信息仍然會(huì)泄漏給對(duì)手。

這兩種策略，不僅適用于在創(chuàng)建交易并將其發(fā)送到P2P網(wǎng)絡(luò)時(shí)，而且也適用于將其包含在區(qū)塊中時(shí)。在這一點(diǎn)上，區(qū)塊及其所有交易都與每個(gè)對(duì)等方共享，錢(qián)包重新處理交易以確保它們有效（例如確保它們沒(méi)有雙花）。

3、攻擊類(lèi)型二：發(fā)送方側(cè)信道

上面描述的攻擊，打破了匿名加密貨幣交易的不可鏈接性以及用戶(hù)的匿名性，這是利用了P2P客戶(hù)端和錢(qián)包系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的缺陷。因此，它們并不是直接針對(duì)協(xié)議密碼學(xué)保護(hù)的攻擊。為了擴(kuò)大對(duì)匿名交易中側(cè)信道漏洞的調(diào)查范圍，研究者還對(duì)密碼學(xué)工具展開(kāi)了研究，而這些工具保證了交易創(chuàng)建時(shí)的機(jī)密性和不可追蹤性，論文中特別提到的，便是當(dāng)前加密貨幣行業(yè)使用最多的簡(jiǎn)潔零知識(shí)證明zk-SNARKs。

注意，這部分描述的攻擊實(shí)際上更偏向于理論性質(zhì)。雖然它們不太可能影響到當(dāng)前的用戶(hù)，但這類(lèi)攻擊的存在，再次說(shuō)明了無(wú)側(cè)信道密碼學(xué)實(shí)現(xiàn)對(duì)于匿名系統(tǒng)的重要性。

攻擊目標(biāo)：負(fù)責(zé)確保交易保密性和不可追蹤性的交易發(fā)送者。

正如下面討論的，遠(yuǎn)程攻擊最可能的目標(biāo)是恢復(fù)交易金額，從而破壞交易的保密性。

然而，針對(duì)交易創(chuàng)建的遠(yuǎn)程側(cè)信道攻擊，實(shí)際面臨著很多挑戰(zhàn)：

1. 非交互性：用戶(hù)可以在不與任何其他方交互的情況下創(chuàng)建交易；

2. 短暫秘密：許多交易秘密（例如交易金額，以及與UTXO相關(guān)的秘密）是一次性的。因此，即使存在一個(gè)側(cè)信道，對(duì)手也可以嘗試一次提取這些秘密；

3. 高熵秘密：用于創(chuàng)建交易的長(zhǎng)期秘密（例如用戶(hù)的密鑰）具有高熵，并要求提取高精度的側(cè)信道；

研究表明，對(duì)手理論上可以克服這些挑戰(zhàn)，其目標(biāo)是交易創(chuàng)建過(guò)程的證明階段，并旨在（部分）揭露交易的保密金額。

我們知道，零知識(shí)證明是匿名交易的基本構(gòu)建技術(shù)，在zk-SNARK協(xié)議中，證明者（prover）有一些秘密輸入（稱(chēng)為witness），并使驗(yàn)證者（verifier）確信該witness滿(mǎn)足給定的斷言，而不透露關(guān)于witness的任何其他信息。在Zcash和Monero中，此類(lèi)proof證明了交易的有效性，同時(shí)保留了交易的隱私性。例如，在Zcash中，證明witness包含已用UTXO的列表、接收者地址、交易金額，以及保證這些UTXO存在并且屬于支出者，且所有資金都轉(zhuǎn)移至接收者的證明。

zk-SNARK證明者中的時(shí)間側(cè)信道。研究者的論題是，在當(dāng)前的zk-SNARK實(shí)現(xiàn)中，生成證明所花費(fèi)的時(shí)間，會(huì)泄露有關(guān)prover秘密witness的信息，特別是關(guān)于花費(fèi)幣的數(shù)量，然而，如上所述，由于交易創(chuàng)建的非交互性質(zhì)，遠(yuǎn)程對(duì)手可能很難在證明生成過(guò)程中獲得時(shí)間側(cè)信道。而更糟糕的是，證明生成的時(shí)間可能不足以提取短暫或具有高熵的秘密。

盡管存在這些挑戰(zhàn)，但我們?cè)谙挛闹兄赋?，在某些部署方案中，?duì)匿名加密貨幣的zk-SNARK prover進(jìn)行遠(yuǎn)程時(shí)間攻擊是可能的，并且演示了證明生成時(shí)間，可以泄露有關(guān)秘密交易額的重要信息。

關(guān)于非交互性，研究者提出了兩個(gè)觀察結(jié)論：

1. 如果弱客戶(hù)端（例如移動(dòng)錢(qián)包）將證明外包給遠(yuǎn)程服務(wù)，則網(wǎng)絡(luò)對(duì)手可以計(jì)時(shí)prover。雖然證明外包的情況并不常見(jiàn)，但Zcash協(xié)議是支持這項(xiàng)功能的，遠(yuǎn)程證明服務(wù)是為早期版本的協(xié)議設(shè)計(jì)的，因而，會(huì)有一些用戶(hù)可能會(huì)選擇將證明委托給遠(yuǎn)程服務(wù)；

2. 更一般地說(shuō)，對(duì)手可以通過(guò)監(jiān)控P2P網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取有關(guān)交易創(chuàng)建過(guò)程何時(shí)開(kāi)始的帶外信息，并觀察何時(shí)結(jié)束。例如，用戶(hù)可以設(shè)置定期付款，其中交易是在固定時(shí)間創(chuàng)建的。對(duì)手還可以觸發(fā)一筆交易，以作為某些外部協(xié)議的一部分。研究者為數(shù)字簽名繪制了一個(gè)時(shí)間側(cè)通道連接。雖然簽名是非交互的，但使用它的協(xié)議（例如TLS）可以引入遠(yuǎn)程側(cè)信道。

對(duì)于攻擊者而言，攻擊的目標(biāo)就是交易量，這是一個(gè)非加密值，即使是粗略的近似值（通過(guò)單個(gè)時(shí)間測(cè)量泄漏）也構(gòu)成了對(duì)隱私的侵犯。

攻擊策略。研究者考慮了一種利用算術(shù)運(yùn)算中的時(shí)間變化（取決于操作數(shù)的值）密碼學(xué)時(shí)間攻擊。

研究利用了這樣一個(gè)事實(shí)：產(chǎn)生證明的時(shí)間與prover的witness值有關(guān)。由于witness包含交易金額，攻擊的目標(biāo)就是該金額與證明時(shí)間有關(guān)。例如，Zcash的證明將交易量分解為bit，并為每個(gè)非零bit計(jì)算一次橢圓曲線(xiàn)運(yùn)算。因此，證明時(shí)間與交易金額的漢明權(quán)重是密切相關(guān)的，也就是說(shuō)，證明時(shí)間與交易金額的值也是相關(guān)的。

1、4 關(guān)于zkSNARK Prover的時(shí)間攻擊

下面，我們進(jìn)入到zkSNARK Prover的時(shí)間攻擊部分，按照上面描述的策略，我們的目標(biāo)是從證明生成的單個(gè)時(shí)間度量中，恢復(fù)有關(guān)保密交易金額的信息。

在下面的部分當(dāng)中，研究者演示了這種時(shí)間攻擊如何揭示Zcash中有關(guān)交易量的信息。

而對(duì)于Monero中實(shí)現(xiàn)的特殊用途證明，類(lèi)似的攻擊則是無(wú)效的。

1、Zcash Prover中的時(shí)間側(cè)信道

研究者表示，對(duì)于Zcash的zkSNARK系統(tǒng)，證明時(shí)間在很大程度上取決于證明者witness的值。也就是說(shuō)，對(duì)于匿名交易，證明時(shí)間與交易的秘密值是密切相關(guān)的。

為了發(fā)送一筆交易，發(fā)送方創(chuàng)建兩個(gè)證明，其中一個(gè)證明已花費(fèi)UTXO的所有權(quán)，另一證明新的UTXO是結(jié)構(gòu)良好的。

Zcash使用的是Groth16證明系統(tǒng)，對(duì)于攻擊目的而言，只要知道證明者將witness編碼為一個(gè)向量（a1，……，am）字段元素，并且證明者的主要計(jì)算是以下形式的“多重指數(shù)運(yùn)算”：

其中Gi是固定的橢圓曲線(xiàn)點(diǎn)，重要的是，Zcash的實(shí)現(xiàn)優(yōu)化了aiGi，其中ai = 0。因此，證明時(shí)間與證明者的witness中非零字段元素的數(shù)量相關(guān)。

由于witness中的交易量是二進(jìn)制編碼的，其漢明權(quán)重值就會(huì)影響證明時(shí)間。而且，由于二進(jìn)制表示的權(quán)重，與數(shù)字的絕對(duì)值相關(guān)，因此證明持續(xù)時(shí)間泄露了有關(guān)保密交易金額的信息。

2、評(píng)估

為了評(píng)估時(shí)間攻擊，研究者進(jìn)行了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

下圖顯示了每個(gè)量的證明時(shí)間的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果顯示，證明時(shí)間與交易金額具有很強(qiáng)的相關(guān)性（R=0.57）。雖然時(shí)間泄露只能得出金額的粗略近似值，但這足以讓對(duì)手識(shí)別出價(jià)值巨大的罕見(jiàn)交易。

區(qū)塊鏈如何防止受到側(cè)信道攻擊

1、5 討論和結(jié)論

與論文中提到的針對(duì)Zcash和Monero的攻擊（已被修復(fù)）相比，上述時(shí)間攻擊是不容易應(yīng)用的，它要求對(duì)手可以對(duì)證明生成進(jìn)行計(jì)時(shí)，這取決于用戶(hù)的常用模式（例如重付款）或部署策略（例如，將證明外包給遠(yuǎn)程服務(wù)）。

如果確實(shí)存在計(jì)時(shí)機(jī)會(huì)，研究表明這種泄露會(huì)允許攻擊者對(duì)私人交易金額進(jìn)行粗略估算。

當(dāng)然，本地側(cè)信道攻擊會(huì)是更加有效的，然而，Zcash明確地否認(rèn)了這種威脅。

最終，這種攻擊的存在，對(duì)于非恒定時(shí)間加密貨幣實(shí)現(xiàn)而言，可能會(huì)帶來(lái)潛在的威脅。Zcash開(kāi)發(fā)者正在開(kāi)發(fā)一個(gè)更成熟版本的橢圓曲線(xiàn)算法，并可能在未來(lái)部署到主客戶(hù)端中。

灑脫喜簡(jiǎn)評(píng)：這類(lèi)攻擊的提出，為匿名交易系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。研究者希望這項(xiàng)工作能夠提醒相關(guān)項(xiàng)目方及用戶(hù)關(guān)于側(cè)信道泄露的威脅，并推動(dòng)開(kāi)發(fā)諸如恒定時(shí)間的zkSNARK prover之類(lèi)的密碼學(xué)原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)。

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