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上周，bitcoin core 0.16.3 版本客戶端的突然發布，以及開發者敦促大家盡快升級一事，令比特幣世界的人們感到了驚訝。表面上的原因，在于0.14-0.16.2版本客戶端中存在一個拒絕服務 （DoS） 向量需要被修補。到后來，我們才發現，在0.15-0.16.2版本core客戶端中的另一個漏洞，可能會引起比特幣的超發問題。
在這篇文章中，作者試圖說明：到底發生了什么？潛在的危險是什么？以及如果有人利用這個漏洞，還將會發生什么？
雙重支付的兩種方式
在我們接觸實際的漏洞之前，我們需要解釋一些東西。我們首先需要定義一下雙重支付，因為這個漏洞就可以用于雙重支付。
所謂雙重支付的情況，就比如說愛麗絲（Alice）向鮑勃（Bob）支付了一筆幣，然后她又把相同的幣再一次支付給了查利（Charlie），愛麗絲基本上試圖進行兩次支付，其中的一筆她知道會被拒回。當然，當我們考慮支付時，愛麗絲的某些賬戶通過寫這兩次支付被透支了。這很接近比特幣的工作原理，但并不是十分準確。
比特幣并不是基于帳戶模型的，而是基于未花費交易輸出（UTXO）。一筆交易的輸出基本包含了一個地址以及數量。一旦輸出被使用了，它就無法再次被花費。試想一下一個UTXO（作為一筆發送給你的幣），它可以是任意數量的，比如說0.413 BTC。
比特幣的雙重支付意味著一筆幣（UTXO）被花費了兩次。通常，這意味著愛麗絲將她的0.413 BTC發送給了鮑勃，然后她又把同一筆比特幣又發送給了查利。
比特幣的解決方法是，其中一筆交易會納入一個區塊，由此來決定實際誰得到了報酬。如果兩筆交易不知何故都傳遞到了多個區塊，那么后面發生的區塊，就會被軟件給拒絕掉。如果兩筆交易都在同一個區塊當中，那么這個區塊也會遭到軟件的拒絕。
基本上，比特幣軟件會檢測到雙重支付行為，如果有雙重支付行為的發生，則應該拒絕掉相應的區塊。
然而，在兩筆不同的交易中發送同一個UTXO，并不是唯一的雙花方法。實際還存在著同一UTXO在同一交易進行雙重支付的病態情況。在這種情況下，愛麗絲向鮑勃發送同一筆幣兩次。所以，愛麗絲實際支付的是0.413 BTC，但鮑勃收到的卻是0.826 BTC。這顯然不是一個有效的交易，因為只有一筆價值0.413 BTC的UTXO 是被發送的。這就相當于，愛麗絲用同一10美元向鮑勃發送了兩次，而鮑勃收到的則是20美元。
定義漏洞
因此，總結一下我們所定義的兩種類型的雙重支付嘗試：
使用兩筆或更多的交易，來花費相同的UTXO；
使用一筆交易花費同一UTXO多次；
結果表明，Bitcoin Core 軟件正確地處理了第一個問題，而第二個問題，正是我們要關心的。任何人都可以像這樣構造出一筆雙花交易，但要讓節點接受這種交易，又是另一回事了。
目前有兩種方法可以讓交易被納入一個區塊當中： A. 支付足夠的費用，將交易廣播到網絡上，那么礦工會負責把交易納入區塊當中；
B. 作為一名礦工，把交易納入一個區塊；
（A） 除了創建交易，并將其廣播到網絡上的節點之外，你不需要做太多的工作。 （B） 需要你找到足夠的工作量證明。這也是這次漏洞的關鍵。
（A） 不是一個可能的攻擊向量，因為這些交易會立即被標記為無效的，網絡上的節點會拒絕它們。沒有礦工們的合作，這種交易就無法進入礦工們的記憶庫，因為它們不會得到傳播。
（B）是漏洞顯現的唯一情況。換句話說，想要利用這個漏洞，你就需要工作量證明，或者說足夠的礦機設備和電力。
為了明確起見，雙花交易有4種情況需要處理：
1A?— 多筆 mempool交易花費了同一UTXO ；
1B?— 多筆區塊交易花費了同一UTXO ；
2A?— 單筆mempool交易花費了同一UTXO多次；
2B?— 單筆區塊交易花費了同一UTXO多次；
該漏洞有兩種表現形式。在0.14.x版本客戶端中，存在著一個拒絕服務（DoS）的漏洞，而在0.15.x － 0.16.2版本的客戶端，則存在一個超發漏洞。接下來，我們會分別分析它們。
拒絕服務攻擊
故事始于2009年的Bitcoin 0.1版本客戶端，這一版本的代碼通過拒絕案例1B和案例2B（檢查區塊沒有雙重支付）來強制達成共識。
你可以看到“檢查沖突”的注釋，其代碼負責檢查每個輸入沒有被花費。“將輸出標記為已使用”注釋下面的代碼，標記了UTXO的使用。如果任何UTXO的花費超過一次，則會導致錯誤。
在2011年，PR 443被合并到了比特幣代碼庫。這一改變是為了處理通過mempool （上面的情況2A）傳輸單筆交易雙重支付的情況。這個合并請求注釋的目的非常明確：
“而且，沒有具有重復輸入的交易會被納入區塊當中。..。..幾個星期前，有人嘗試過了，但這些交易并沒有被納入區塊。我假設某個地方存在了一個檢查關，它會阻止這些重復交易進入區塊，雖然我沒有對這個問題進行任何挖掘。這實際上是為了防止這種明顯無效的交易得到中繼。”
實際的代碼更改，或多或少與上面的ConnectInputs 中的“檢查沖突”注釋下的代碼執行了相同的操作，但位于的是不同的位置。代碼更改是在CheckTransaction 中運行的，其負責了所有上述的4種情況（1A， 1B， 2A， 2B）。因此，我們在區塊雙重支付共識代碼中有了一些冗余，正如案例1B和2B都被檢查了兩次，其中一次檢查是在CheckTransaction，另一次則發生在ConnectInputs。
到了2013年，PR 2224被納入了比特幣軟件。這一改變的目的是區分共識錯誤（例如雙重支付）和系統錯誤（例如磁盤空間耗盡）之間的差別，正如PR注釋中所表明的那樣：
“它引入了CValidationState，它會存儲關于區塊的元數據，或者正在執行的交易驗證數據。它被用于區分驗證錯誤（例如，未能滿足網絡規則）和運行時錯誤（比如磁盤空間的不足），從前這些可能會產生混淆，因磁盤空間用完會導致區塊被標記為無效。此外，CValidationState還承擔了跟蹤 DoS級別的角色（因此它不需要存儲于交易或區塊當中。..）”
實際的相關代碼更改如下：
在那個時候，ConnectInputs已經被模塊化成多個方法，并且這個函數成為了檢查雙重支付的函數。這里的關鍵改變是，曾經的error被改為了 assert
assert在C++中是做什么的？它會完全中止程序。程序員為什么要在這里停止程序？這就是Pull請求的目的所在。下面就是那個時候的代碼片段：
它會像以前一樣處理案例1B和2B。函數名則從ConnectInputs更改為ConnectBlock，但檢查案例1B和2B的冗余性仍然在PR 443中保留。正如我們已經看到的，UpdateCoins做了第二次雙重支付檢查。其中CheckBlock通過調用CheckTransaction進行了第一次雙重支付檢查：
由于這是第二次檢查相同的內容，所以要讓UpdateCoins的雙花檢查失敗的唯一方法，就是存在某種UTXO數據庫或交易存儲損壞。事實上，這似乎是改成assert的原因。因為CheckBlock通過CheckTransaction在UpdateCoins之前已經進行了檢查，我們已知道某筆交易并不是雙花交易。因此，PR 2224正確地推測到，UpdateCoins中的這個狀態必然是一個系統錯誤，而不是一個共識錯誤。在這種情況下，為了防止進一步的數據損壞，正確的做法就是停止程序。
到了2017年，PR 9049作為Bitcoin 0.14的一部分被引入比特幣網絡。隨著隔離見證（Segwit）的納入，它是加快區塊驗證時間的諸多更改的其中之一，其代碼更改實際是非常少的：
你可以看到布爾函數 fCheckDuplicateInputs被添加了進去，用于加快區塊檢查。我們將在下面看到，這是一個被認為是冗余的檢查。不幸的是， UpdateCoins中的代碼在PR 2224中被更改為系統損壞檢查，而不是共識檢查。到了0.14.0版本客戶端，其代碼進行了更多的模塊化更改，而assert也發生了一些改變：
曾經是作為一個冗余檢查，現在卻成了負責區塊單筆交易雙重支付檢查（案例2B），并負責停止程序。從技術上來說，它仍然是強制執行共識規則。只是在中止程序問題上，它表現地非常糟糕。
PR 9049是如何獲得通過的？ Greg Maxwell 給了我IRC上的聊天記錄。
長話短說，開發者們在討論PR 9049時，傾向于認為區塊級單筆交易雙重支付（案例2B）會在PR 443處遭到檢查，而沒有考慮PR 2224。這使得開發者們并沒有密切關注PR 9049；
總而言之：
1、在2011年引入用于防止雙重支付交易中繼（案例2A）的 PR 443，實際產生了一個副作用，即對區塊的雙重支付共識規則檢查創造了冗余校驗（案例1B和 2B）。
2、PR 2224是在2013年引入的，作為一種副作用，將（1）中用于區塊驗證的代碼，從冗余升級到了共識層；
3、PR 9049是在2017年被引入的，并且它跳過了（1）中用于單個區塊單筆交易雙重支付（案例1B）檢查的代碼。開發人員錯誤地認為代碼是多余的，因為他們沒有考慮到（2）。事實上，這種改變跳過了共識的關鍵部分。
公平地講，這些事的匯合導致了這次漏洞。
DoS漏洞的嚴重性
這意味著 0.14.x 版本的Core軟件可能會因為一個奇怪的區塊而崩潰。而要讓軟件崩潰，攻擊者需要做的事是：
1.創建一筆花費兩次同一UTXO的交易；
2.通過足夠的工作量證明，將（1）中的交易納入一個比特幣區塊；
3.將這個區塊廣播到0.14.x版本軟件的節點；
（1） 和 （3） 的成本并不高，而步驟（2）的最小成本為12.5 BTC。
如果你認為從博弈論的角度來看，分裂網絡并不是那么好，那么利用這個漏洞的動機就相當低了。充其量，作為攻擊者，你花費了12.5 BTC將部分全節點給搞崩潰。由于不可能從分裂網絡中獲利，攻擊者無法輕易地補償自己的攻擊成本。
如果這是唯一的漏洞，那么攻擊者可能給很多人帶來一些不便，但這不會是持續的，因為這些被攻擊的節點可以簡單地重啟，并連接到其它誠實節點。一旦有一個較長的鏈，那么惡意區塊攻擊就會完全失去它的威脅。除非攻擊者以每區塊12.5 BTC的代價繼續創建區塊，并將其傳播給 0.14.x版本軟件的節點，否則攻擊就是不可持續的。
換句話說，雖然這個漏洞的確存在著，但對 DoS攻擊的經濟刺激卻是相當低的。
超發漏洞
從0.15.0版本軟件開始，core軟件引入了一個新的特性，以便更快地查找和存儲UTXO，而這恰恰又引入了另一個漏洞。當一筆具有雙重支付單個交易的區塊納入區塊鏈時，軟件會將其視為有效，而不會出現崩潰的現象。
這就意味著一筆病理性交易（相同UTXO在同一交易中被使用多次，即案例2B），0.14版本的節點會因此而崩潰，而使用0.15版本軟件的節點卻會認為交易是有效的，這基本上是憑空在創建比特幣。
談談它是如何發生的。在0.15中出現的PR 10195 ，引入了很多內容，但它的主要要點在于改變了 UTXO的存儲方式，使得它們更有效地進行查找。因此，它出現了很多變化，包括對早期UpdateCoins函數的更改：
注意，assert（false） 周圍的代碼是如何被完全取出的。注意這一點，0.15.0中的PR 10537也更改了代碼。
assert失敗的條件現在取決于inputs.SpendCoin，它看起來是這樣子的：
本質上，SpendCoin返回“ false”值的唯一方法，就是讓幣不存在于UTXO集中。但正如你所看到的，這需要幣是FRESH的，而不是DIRTY的。這些不是常見的術語，但值得慶幸的是，core開發者Andrew Chow給出了解釋：
“現在的問題是，什么時候UTXO會被標記為FRESH？當它們被添加到UTXO數據庫時，它們就會被標記為FRESH。但是，UTXO數據庫仍然只存在于存儲當中的（作為緩存）。當它被保存到磁盤時，存儲中的條目將不再被標記為FRESH……”
標記為FRESH的幣，是進入交易存儲池（memory pool）中的幣。而攻擊者可以通過 UpdateCoins函數中的assert語句來破壞節點。更糟的是，如果幣是屬于DIRTY的（基本上從磁盤上讀取的），那么這就會導致比特幣的超發。
因此，攻擊者可以欺騙那些運行 0.15.0－ 0.16.2版本軟件的礦工接受一個奇怪的、無效的區塊，從而導致比特幣的供應超發。
超發漏洞的嚴重性
這種攻擊的經濟誘因似乎明顯高于DoS攻擊，因為攻擊者可能會憑空制造出比特幣。但你仍然需要有挖礦設備來執行攻擊，但考慮到潛在的經濟誘因，這可能是值得的，或者看起來是這樣的。
下面是使用這種漏洞的一種簡單攻擊方式：
1.創造一筆帶有雙重支付交易的區塊，其會向自己支付兩次，比方說 50 BTC →100 BTC；
2.將該區塊廣播給0.15/0.16版本客戶端的所有礦工；
下面是會發生的一些事：
1.0.14.x 版本節點會崩潰；
2.較舊版本的節點及其它替代客戶端會拒絕這個區塊；
3.很多區塊鏈瀏覽器是運行在自定義軟件上的，而不是基于core，因此，至少有一些瀏覽器會拒絕該區塊，并且不會顯示來自該區塊的任何交易。
4.取決于礦工們運行的軟件，我們可能會迎來鏈分裂；
有可能，所有的礦工都是運行的Bitcoin Core 0.15+版本軟件，在這種情況下，不受攻擊的客戶端可能會停滯不前。也有可能礦工會運行其它東西，在這種情況下，當他們發現一個區塊時，鏈就會發生分叉。
由于這些違規行為，網絡上的人們很快就會追蹤到這一點，可能已提醒一些開發人員，并且core開發者已經修復了它。如果存在分叉，那么在那個時候，關于哪條鏈是正確的共識鏈，將開始得到討論，而出現意外超發的鏈，可能會遭到拋棄。如果真的發生了，那么社區可能會自愿進行一次回滾，以懲罰攻擊者。
所以對于攻擊者來說，這不會帶來50 BTC的收入，更可能的是失去12.5 BTC。如果攻擊者加倍花費，比如說200 BTC，那么超發漏洞將持續存在的可能性會更小，因為攻擊會更明顯。
因此，從攻擊者的角度來看，這并不是一種好的獲利方式。
攻擊者可以獲利的另一種方式，就是事先做空比特幣，然后再執行攻擊。這也是具有風險的，因為攻擊不能保證比特幣價格會下跌，特別是當危機得到迅速和果斷處理時。此外，考慮到大多數交易所提供的杠杠交易，都需要AML/KYC，這可能導致攻擊者很快暴露。
攻擊者不僅面臨著巨大的資金風險，而且還會有身體危險。從經濟角度來看，這并不是一個容易獲利的漏洞。
當然，有一些別有用心的人，可能會用這種漏洞來嚇唬那些比特幣持有者。投資回報率將變得更抽象，因此從理論上來講，這可能會達到這些別有用心者的目的。
結論
毫無疑問，這是一個相當嚴重的漏洞。盡管我和Awemany之間有著分歧，但我很感激他選擇公開地和我辯論。也就是說，考慮到經濟博弈理論，我不認為這個漏洞會像他所描述的那樣嚴重。
即使這個漏洞在被發現之前被壞人所利用，攻擊者可能也不會選擇利用它，因為從經濟學上來講，它是沒有意義的。可以肯定的是，這一技術漏洞應該被修復，并且開發者應該做得更好，但真正能夠利用這種漏洞的對象其實是非常少的，基本上，只有那些想要摧毀比特幣的組織才會這么干。
Bitcoin Core開發者的教訓有很多：
1、任何共識變化（即使是微小的變化，例如9049），也需要更多的人進行審查； 2、需要對病理交易進行更多的檢查； 3、代碼庫中哪些檢查是冗余的，哪些檢查是不冗余的，以及實際代碼將要做些什么，需要變得更加清晰； 4、過去存在漏洞，將來也會存在漏洞。現在重要的是，學習并反思這一教訓；
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