如何对抗智能合约系统中的审查攻击

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：

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。

闪躲：矿工密谋（或被贿赂）在出块时不打包正常的挑战。

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）。

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vwin 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？
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