Безпека блокчейну: викриття поширених вразливостей

Технологія блокчейн з її обіцянками децентралізації, прозорості та незмінності привернула значну увагу в різних галузях. Однак, як і будь-яка технологія, блокчейн не застрахований від вразливостей. Глибоке розуміння цих вразливостей є вирішальним для розробників, бізнесу та користувачів для забезпечення безпеки та цілісності систем на основі блокчейну. Ця стаття розглядає поширені вразливості безпеки блокчейну, пропонуючи уявлення про потенційні ризики та стратегії їхнього пом'якшення.

Розуміння ландшафту безпеки блокчейну

Перш ніж заглиблюватися у конкретні вразливості, важливо зрозуміти унікальний ландшафт безпеки блокчейнів. Традиційні моделі безпеки часто покладаються на централізовані органи для управління та захисту даних. Блокчейни, з іншого боку, розподіляють дані по мережі вузлів, що робить їх потенційно більш стійкими до єдиних точок відмови. Однак ця децентралізована природа також створює нові виклики та вразливості.

Ключові принципи безпеки блокчейнів

• Незмінність: Після того, як дані записані в блокчейн, їх надзвичайно важко змінити або видалити, що забезпечує цілісність даних.
• Прозорість: Усі транзакції в публічному блокчейні видимі для всіх, що сприяє підзвітності.
• Децентралізація: Дані розподілені між кількома вузлами, що зменшує ризик цензури та єдиних точок відмови.
• Криптографія: Криптографічні методи використовуються для захисту транзакцій та перевірки ідентичності.
• Механізми консенсусу: Алгоритми, такі як Proof-of-Work (PoW) або Proof-of-Stake (PoS), забезпечують згоду щодо стану блокчейну.

Поширені вразливості блокчейну

Незважаючи на властиві блокчейнам функції безпеки, існує кілька вразливостей, якими можуть скористатися зловмисники. Ці вразливості можна загалом класифікувати як недоліки механізму консенсусу, криптографічні слабкості, вразливості смарт-контрактів, мережеві атаки та проблеми управління ключами.

1. Недоліки механізму консенсусу

Механізм консенсусу є серцем блокчейну, відповідальним за забезпечення згоди щодо дійсності транзакцій та загального стану реєстру. Недоліки в механізмі консенсусу можуть мати катастрофічні наслідки.

а) Атака 51%

Атака 51%, також відома як атака більшості, відбувається, коли одна особа або група контролює понад 50% хеш-потужності мережі (в системах PoW) або частки (в системах PoS). Це дозволяє зловмиснику маніпулювати блокчейном, потенційно скасовуючи транзакції, здійснюючи подвійні витрати монет та запобігаючи підтвердженню нових транзакцій.

Приклад: У 2018 році мережа Bitcoin Gold зазнала успішної атаки 51%, що призвело до крадіжки криптовалюти на мільйони доларів. Зловмисник контролював більшість майнінгової потужності мережі, що дозволило йому переписати історію транзакцій та здійснити подвійні витрати своїх монет.

Пом'якшення: Збільшення децентралізації шляхом сприяння ширшому розподілу хеш-потужності або частки може зменшити ризик атаки 51%. Впровадження механізмів контрольних точок, де довірені вузли періодично перевіряють цілісність блокчейну, також може допомогти запобігти атакам.

б) Атаки на великій відстані (Long-Range Attacks)

Атаки на великій відстані (Long-Range Attacks) актуальні для блокчейнів на основі Proof-of-Stake. Зловмисник може створити альтернативний ланцюжок від генезис-блоку (першого блоку в блокчейні), придбавши старі приватні ключі та роблячи ставки на цей альтернативний ланцюжок. Якщо зловмисник зможе створити довший і цінніший ланцюжок, ніж чесний, він може переконати мережу перейти на зловмисний ланцюжок.

Приклад: Уявіть собі PoS-блокчейн, де великий власник стейкінгових токенів продає свої токени та втрачає інтерес до підтримки мережі. Зловмисник потенційно може купити ці старі токени та використати їх для створення альтернативної історії блокчейну, потенційно знецінюючи законні транзакції.

Пом'якшення: Такі методи, як "слабка суб'єктивність" та рішення проблеми "нічого на кону", призначені для пом'якшення цих атак. Слабка суб'єктивність вимагає від нових вузлів, що приєднуються до мережі, отримувати нещодавню дійсну контрольну точку з довірених джерел, що не дозволяє їм бути обдуреними та прийняти ланцюжок атаки на великій відстані. Вирішення проблеми "нічого на кону" гарантує, що валідатори мають економічний стимул чесно перевіряти транзакції, навіть на конкуруючих форках.

в) Егоїстичний майнінг

Егоїстичний майнінг — це стратегія, за якою майнери навмисно утримують нововидобуті блоки від публічної мережі. Тримаючи ці блоки в таємниці, вони отримують перевагу над іншими майнерами, збільшуючи свої шанси на видобуток наступного блоку та отримання більшої винагороди. Це може призвести до централізації майнінгової потужності та несправедливого розподілу винагород.

Приклад: Майнінговий пул зі значною хеш-потужністю може вирішити утримувати блоки, щоб збільшити свої шанси на перемогу в наступному блоці. Це дає їм невелику перевагу над меншими майнерами, потенційно витісняючи їх з мережі та ще більше концентруючи владу.

Пом'якшення: Покращення часу поширення блоків та впровадження справедливих правил вибору блоків може допомогти пом'якшити егоїстичний майнінг. Також, інформування майнерів про згубні наслідки егоїстичного майнінгу та заохочення їх діяти чесно може покращити стабільність мережі.

2. Криптографічні слабкості

Блокчейни значною мірою покладаються на криптографію для захисту транзакцій та даних. Однак слабкості в криптографічних алгоритмах або їхній реалізації можуть бути використані зловмисниками.

а) Хеш-колізії

Хеш-функції використовуються для відображення даних довільного розміру у вихідні дані фіксованого розміру. Колізія виникає, коли два різні вхідні дані дають однаковий хеш-вихід. Хоча хеш-колізії теоретично можливі з будь-якою хеш-функцією, їх знаходження є обчислювально неможливим для сильних хеш-функцій. Однак слабкості в базовому хеш-алгоритмі або його реалізації можуть полегшити пошук колізій, потенційно дозволяючи зловмисникам маніпулювати даними або створювати шахрайські транзакції.

Приклад: Зловмисник потенційно може створити дві різні транзакції з однаковим хеш-значенням, що дозволить йому замінити легітимну транзакцію на зловмисну. Це особливо небезпечно, якщо хеш-функція використовується для ідентифікації транзакцій або зберігання конфіденційних даних.

Пом'якшення: Використання сильних, добре перевірених криптографічних хеш-функцій, таких як SHA-256 або SHA-3, є вирішальним. Також важливо регулярно оновлювати криптографічні бібліотеки та алгоритми для усунення відомих вразливостей. Уникнення використання застарілих або слабких хеш-функцій є найкращою практикою.

б) Компрометація приватного ключа

Приватні ключі використовуються для підписання транзакцій та авторизації доступу до коштів. Якщо приватний ключ скомпрометовано, зловмисник може використовувати його для крадіжки коштів, створення шахрайських транзакцій та видачі себе за законного власника.

Приклад: Фішингові атаки, шкідливе програмне забезпечення та фізична крадіжка є поширеними способами компрометації приватних ключів. Як тільки зловмисник отримує доступ до приватного ключа, він може перевести всі пов'язані з ним кошти на власний рахунок.

Пом'якшення: Впровадження надійних практик управління ключами є необхідним. Це включає використання апаратних гаманців для зберігання приватних ключів офлайн, увімкнення багатофакторної автентифікації та інформування користувачів про ризики фішингу та шкідливого ПЗ. Регулярне резервне копіювання приватних ключів та їх зберігання в безпечному місці також є вирішальним.

в) Слабка генерація випадкових чисел

Криптографічні системи покладаються на сильні генератори випадкових чисел (ГВЧ) для створення безпечних ключів та нонсів (випадкових чисел, що використовуються для запобігання атакам повторного відтворення). Якщо ГВЧ є передбачуваним або упередженим, зловмисник може потенційно передбачити згенеровані числа та використати їх для компрометації системи.

Приклад: Якщо блокчейн використовує слабкий ГВЧ для генерації приватних ключів, зловмисник потенційно може передбачити ці ключі та вкрасти кошти. Аналогічно, якщо слабкий ГВЧ використовується для генерації нонсів, зловмисник може повторно відтворити раніше дійсні транзакції.

Пом'якшення: Використання криптографічно безпечних ГВЧ, які були ретельно протестовані та перевірені, є необхідним. Забезпечення належного ініціювання ГВЧ з достатньою ентропією також є вирішальним. Уникнення використання передбачуваних або упереджених ГВЧ є найкращою практикою.

3. Вразливості смарт-контрактів

Смарт-контракти — це самовиконувані угоди, написані у вигляді коду, що працюють на блокчейні. Вони автоматизують виконання угод і можуть використовуватися для створення складних децентралізованих додатків (dApps). Однак вразливості в смарт-контрактах можуть призвести до значних фінансових втрат.

а) Атаки повторного входу (Reentrancy Attacks)

Атака повторного входу відбувається, коли зловмисний контракт викликає вразливий контракт до завершення виконання початкової функції. Це може дозволити зловмиснику неодноразово виводити кошти з вразливого контракту до оновлення його балансу.

Приклад: Сумнозвісний злам DAO у 2016 році був спричинений вразливістю повторного входу в смарт-контракті DAO. Зловмисник використав цю вразливість, щоб вивести з DAO мільйони доларів в ефірі.

Пом'якшення: Використання патерну "checks-effects-interactions" (перевірки-ефекти-взаємодії) може допомогти запобігти атакам повторного входу. Цей патерн передбачає виконання всіх перевірок перед внесенням будь-яких змін стану, потім внесення всіх змін стану і, нарешті, взаємодію з іншими контрактами. Використання бібліотек, таких як SafeMath від OpenZeppelin, також може допомогти запобігти арифметичним переповненням та недоповненням, які можуть бути використані в атаках повторного входу.

б) Цілочисельне переповнення/недоповнення (Integer Overflow/Underflow)

Цілочисельне переповнення та недоповнення виникають, коли арифметична операція перевищує максимальне або мінімальне значення, яке може представляти ціле число. Це може призвести до несподіваної поведінки та вразливостей у смарт-контрактах.

Приклад: Якщо смарт-контракт використовує ціле число для відстеження балансу рахунку користувача, переповнення може дозволити зловмиснику збільшити свій баланс понад передбачену межу. Аналогічно, недоповнення може дозволити зловмиснику вичерпати баланс іншого користувача.

Пом'якшення: Використання безпечних арифметичних бібліотек, таких як SafeMath від OpenZeppelin, може допомогти запобігти цілочисельним переповненням та недоповненням. Ці бібліотеки надають функції, які перевіряють наявність переповнень та недоповнень перед виконанням арифметичних операцій, видаючи виняток у разі виникнення помилки.

в) Відмова в обслуговуванні (DoS)

Атаки типу "відмова в обслуговуванні" мають на меті зробити смарт-контракт недоступним для легітимних користувачів. Цього можна досягти, використовуючи вразливості в логіці контракту або перевантажуючи контракт великою кількістю транзакцій.

Приклад: Зловмисник може створити смарт-контракт, який споживає велику кількість газу, роблячи неможливим для інших користувачів взаємодію з контрактом. Інший приклад — надсилання великої кількості недійсних транзакцій до контракту, що призводить до його перевантаження та невідповідності.

Пом'якшення: Обмеження кількості газу, яку може спожити одна транзакція, може допомогти запобігти DoS-атакам. Впровадження обмеження швидкості та використання таких методів, як пагінація, також може допомогти пом'якшити DoS-атаки. Аудит смарт-контракту на наявність потенційних вразливостей та оптимізація його коду для підвищення ефективності також є вирішальними.

г) Логічні помилки

Логічні помилки — це недоліки в дизайні або реалізації смарт-контракту, які можуть призвести до несподіваної поведінки та вразливостей. Ці помилки може бути важко виявити, і вони можуть мати значні наслідки.

Приклад: Смарт-контракт може мати недолік у своїй логіці, який дозволяє зловмиснику обійти перевірки безпеки або маніпулювати станом контракту непередбачуваним чином. Іншим прикладом є вразливість у механізмі контролю доступу контракту, яка дозволяє неавторизованим користувачам виконувати конфіденційні операції.

Пом'якшення: Ретельне тестування та аудит смарт-контрактів є необхідними для виявлення та виправлення логічних помилок. Використання методів формальної верифікації також може допомогти переконатися, що контракт поводиться так, як задумано. Дотримання безпечних практик кодування та встановлених шаблонів проектування також може зменшити ризик логічних помилок.

д) Залежність від мітки часу (Timestamp Dependence)

Покладання на мітки часу блоків для критичної логіки в смарт-контрактах може бути ризикованим. Майнери мають певний вплив на мітку часу блоку, що потенційно дозволяє їм маніпулювати результатом певних операцій.

Приклад: Смарт-контракт лотереї, який вибирає переможця на основі мітки часу майбутнього блоку, може бути маніпульований майнером, який може трохи скоригувати мітку часу на свою користь або на користь когось, з ким він у змові.

Пом'якшення: Уникайте використання міток часу блоків для критичної логіки, де це можливо. Якщо мітки часу необхідні, розгляньте можливість використання міток часу кількох блоків, щоб зменшити вплив маніпуляцій майнерів. Для таких додатків, як лотереї, слід вивчити альтернативні джерела випадковості.

4. Мережеві атаки

Блокчейни вразливі до різноманітних мережевих атак, які можуть порушити роботу мережі, викрасти інформацію або маніпулювати транзакціями.

а) Атака Сивілли (Sybil Attack)

Атака Сивілли відбувається, коли зловмисник створює велику кількість фальшивих ідентичностей (вузлів) у мережі. Ці фальшиві ідентичності можуть бути використані для перевантаження легітимних вузлів, маніпулювання механізмами голосування та порушення консенсусу в мережі.

Приклад: Зловмисник може створити велику кількість фальшивих вузлів і використовувати їх для контролю над більшістю голосів у мережі, що дозволить йому маніпулювати станом блокчейну.

Пом'якшення: Впровадження механізмів перевірки ідентичності, таких як Proof-of-Work або Proof-of-Stake, може ускладнити зловмисникам створення великої кількості фальшивих ідентичностей. Використання систем репутації та вимога до вузлів надавати заставу також може допомогти пом'якшити атаки Сивілли.

б) Атаки маршрутизації

Атаки маршрутизації включають маніпулювання інфраструктурою маршрутизації мережі для перехоплення або перенаправлення трафіку. Це може дозволити зловмисникам прослуховувати комунікації, цензурувати транзакції та запускати інші атаки.

Приклад: Зловмисник може перехоплювати транзакції та затримувати або змінювати їх до того, як вони будуть поширені в решті мережі. Це може дозволити йому здійснювати подвійні витрати монет або цензурувати транзакції від конкретних користувачів.

Пом'якшення: Використання безпечних протоколів маршрутизації та впровадження шифрування може допомогти пом'якшити атаки маршрутизації. Диверсифікація інфраструктури маршрутизації мережі та моніторинг мережевого трафіку на предмет підозрілої активності також є важливими.

в) Атака затемнення (Eclipse Attack)

Атака затемнення ізолює вузол від решти мережі, оточуючи його зловмисними вузлами, контрольованими зловмисником. Це дозволяє зловмиснику подавати ізольованому вузлу неправдиву інформацію, потенційно маніпулюючи його уявленням про блокчейн.

Приклад: Зловмисник може використати атаку затемнення, щоб переконати вузол у тому, що шахрайська транзакція є дійсною, що дозволить йому здійснити подвійну витрату монет. Він також може завадити вузлу отримувати оновлення про легітимний блокчейн, що призведе до його відставання та потенційного відгалуження від основної мережі.

Пом'якшення: Вимога до вузлів підключатися до різноманітного набору пірів та періодична перевірка на наявність невідповідностей в отриманій інформації може допомогти пом'якшити атаки затемнення. Використання безпечних каналів зв'язку та перевірка ідентичності пірів також є важливими.

г) DDoS-атаки

Розподілені атаки типу "відмова в обслуговуванні" (DDoS) заповнюють мережу трафіком з кількох джерел, перевантажуючи її ресурси та роблячи її недоступною для легітимних користувачів.

Приклад: Зловмисники можуть заповнити вузли блокчейну запитами, роблячи їх нездатними обробляти легітимні транзакції та порушуючи роботу мережі.

Пом'якшення: Впровадження обмеження швидкості, використання мереж доставки контенту (CDN) та застосування систем виявлення вторгнень може допомогти пом'якшити DDoS-атаки. Розподіл мережі по кількох географічних локаціях також може підвищити її стійкість до DDoS-атак.

5. Проблеми управління ключами

Належне управління ключами є вирішальним для захисту систем на основі блокчейну. Погані практики управління ключами можуть призвести до компрометації приватного ключа та значних фінансових втрат.

а) Втрата ключа

Якщо користувач втратить свій приватний ключ, він не зможе отримати доступ до своїх коштів. Це може бути руйнівною втратою, особливо якщо у користувача немає резервної копії свого ключа.

Приклад: Користувач може втратити свій приватний ключ через збій обладнання, помилку програмного забезпечення або просту помилку. Без резервної копії він буде назавжди заблокований у своєму обліковому записі.

Пом'якшення: Заохочення користувачів створювати резервні копії своїх приватних ключів та зберігати їх у безпечному місці є необхідним. Використання апаратних гаманців або гаманців з мультипідписом також може допомогти запобігти втраті ключів.

б) Крадіжка ключа

Приватні ключі можуть бути вкрадені через фішингові атаки, шкідливе програмне забезпечення або фізичну крадіжку. Як тільки зловмисник отримує доступ до приватного ключа, він може використовувати його для крадіжки коштів та видачі себе за законного власника.

Приклад: Користувача можуть обдурити, змусивши ввести свій приватний ключ на підробленому веб-сайті або завантажити шкідливе програмне забезпечення, яке вкраде його ключ. Іншим прикладом є зловмисник, який фізично краде апаратний гаманець або комп'ютер користувача.

Пом'якшення: Інформування користувачів про ризики фішингу та шкідливого програмного забезпечення є вирішальним. Використання надійних паролів та увімкнення багатофакторної автентифікації також може допомогти запобігти крадіжці ключів. Зберігання приватних ключів офлайн в апаратному гаманці або безпечному сховищі є найкращою практикою.

в) Слабка генерація ключів

Використання слабких або передбачуваних методів для генерації приватних ключів може зробити їх вразливими до атак. Якщо зловмисник зможе вгадати приватний ключ користувача, він зможе вкрасти його кошти.

Приклад: Користувач може використовувати простий пароль або передбачуваний шаблон для генерації свого приватного ключа. Зловмисник може потім використовувати атаки грубої сили або словникові атаки, щоб вгадати ключ і вкрасти кошти.

Пом'якшення: Використання криптографічно безпечних генераторів випадкових чисел для генерації приватних ключів є необхідним. Уникнення використання передбачуваних шаблонів або простих паролів також є вирішальним. Використання апаратного гаманця або надійного інструменту для генерації ключів може допомогти забезпечити безпечну генерацію приватних ключів.

Найкращі практики для підвищення безпеки блокчейну

Пом'якшення вразливостей блокчейну вимагає багатогранного підходу, який охоплює безпечні практики кодування, надійне управління ключами та постійний моніторинг.

• Безпечні практики кодування: Дотримуйтесь інструкцій з безпечного кодування, використовуйте безпечні бібліотеки, а також ретельно тестуйте та проводьте аудит смарт-контрактів.
• Надійне управління ключами: Використовуйте апаратні гаманці, гаманці з мультипідписом та безпечні практики зберігання ключів для захисту приватних ключів.
• Регулярні аудити безпеки: Проводьте регулярні аудити безпеки за участю авторитетних фірм з безпеки для виявлення та усунення потенційних вразливостей.
• Програми Bug Bounty: Впроваджуйте програми винагород за виявлення помилок (bug bounty), щоб стимулювати дослідників безпеки знаходити та повідомляти про вразливості.
• Постійний моніторинг: Відстежуйте мережу на предмет підозрілої активності та впроваджуйте системи виявлення вторгнень для виявлення та реагування на атаки.
• Будьте в курсі: Будьте в курсі останніх загроз безпеці та вразливостей і своєчасно застосовуйте виправлення безпеки.
• Навчайте користувачів: Навчайте користувачів про ризики фішингу та шкідливого програмного забезпечення та просувайте безпечні практики управління їхніми приватними ключами.
• Впроваджуйте багатофакторну автентифікацію: Використовуйте багатофакторну автентифікацію для захисту облікових записів від несанкціонованого доступу.

Висновок

Технологія блокчейн пропонує численні переваги, але важливо усвідомлювати потенційні вразливості безпеки. Розуміючи ці вразливості та впроваджуючи відповідні стратегії пом'якшення, розробники, бізнес та користувачі можуть створювати та підтримувати безпечні системи на основі блокчейну. Постійний моніторинг ландшафту безпеки та адаптація до нових загроз є необхідними для забезпечення довгострокової безпеки та цілісності блокчейнів. У міру розвитку технології блокчейн, постійні дослідження та розробки в галузі безпеки є життєво важливими для вирішення нових проблем та забезпечення безпечнішого децентралізованого майбутнього.