原文作者：Cobo安全团队
原文来源：CoboGlobal
ETH?升级?PoS?共识系统，原有的?PoW?机制的?ETH?链在部分社区的支持下成功硬分叉。但是，由于某些链上协议在设计之初没有对可能的硬分叉做好准备，导致对应的协议在?ETHW?分叉链存在一定的安全隐患，其中最为严重的安全隐患则是重放攻击。
在完成硬分叉后，?ETHW?主网出现了至少2起利用重放机制进行的攻击，分别是?OmniBridge?的重放攻击和?PolygonBridge?的重放攻击。本文将以这两个事件作为案例，分别分析重放攻击对分叉链的影响，以及协议应如何防范此类攻击。
交易重放
交易重放指的是将在原有链的交易原封不动的迁移到目标链的操作，属于是交易层面上的重放，重放过后交易也是可以正常执行并完成交易验证。最著名的案例莫过于?Wintermute?在?Optimism上的攻击事件，直接导致了超2000万OP代币的损失。但是在?EIP155?实施以后，由于交易的签名本身带有?chainId?(一种用于链本身区别与其他分叉链的标识符)，在重放的目标链?chainId?不同的情况下，交易本身是无法完成重放的。
签名消息重放
签名消息重放区别于交易重放，是针对的用私钥签名的消息(e.g.?Coboisthebest)进行的重放，在签名消息重放中，攻击者不需要对整个交易进行重放，而只需将签名的消息进行重放即可。在消息签名中，以?Coboisthebest?为例，由于该消息中并不含任何和链相关的特殊参数，所以该消息在签名后理论上是可以在任意的分叉链中均是有效的，可以验签通过。为了避免该消息在分叉上的重放，可以消息内容中添加?chainId，如?CoboisthebestchainId()。在带上特定的链标识符之后，在不同分叉链上的消息内容不同，消息签名不同，因此无法直接进行重放复用。
OmniBridge和PolygonBridge的攻击原理
下面我们来分析?OmniBridge?和?PolygonBridge?的攻击原理。首先抛出结论，这两起攻击事件本身都不是交易重放攻击，原因在于?ETHW?使用了区别于?ETH?主网的?chainId，所以直接重放交易无法被验证通过。那么剩下的选项就只有消息重放了，那下面我们就来逐个分析它们各自是如何在?ETHW?分叉链上被消息重放攻击的。
跨链消息完成跨链接资产的转移。在?OmniBridge?中，validator?提交的验证消息的逻辑是这样的
被罚1600万美元的ICOBox创始人失联，公司代理人已离职:此前消息，联邦法院命令ICOBox向美国SEC支付1600万美元罚款，原因是ICOBox违反了美国证券法。不过在执行过程中，SEC或许暂时拿不到这笔罚款了。ICOBox创始人在拖欠了两个月房租后早已搬离住所，而其开曼群岛的代理人也已离职，而且无人接替职位。3月5日，加州中央区地方法院批准了SEC对ICOBox平台及其创始人兼首席执行官Nikolay Evdokimov的违约判决动议。SEC于2019年9月首次对ICOBox提起诉讼，指控该公司进行了一次未经注册的证券销售。监管机构还指控该公司在30多笔代币交易中充当无证证券经纪人。Evdokimov通过2017年的ICO从2000多名未经授权的投资者那里筹集了1460万美元。作为判决的一部分，ICOBox将被罚款1600万美元，而Evdokimov将不得不支付超过19.2万美元的个人罚款。（CoinDesk）[2020/3/12]
function?executeSignatures(bytes?_data,?bytes?_signatures)?public?{????????_allowMessageExecution(_data,?_signatures);????????bytes32?msgId;????????address?sender;????????address?executor;????????uint32?gasLimit;????????uint8?dataType;????????uint256?memory?chainIds;????????bytes?memory?data;????????(msgId,?sender,?executor,?gasLimit,?dataType,?chainIds,?data)?=?ArbitraryMessage.unpackData(_data);????????_executeMessage(msgId,?sender,?executor,?gasLimit,?dataType,?chainIds,?data);????}
在这个函数中，首先会根据#L2行的签名检查来确定提交的签名是不是由指定的?validator?进行签名，然后再在#L11行对?data?消息进行解码。从解码内容上看，不难发现，返回字段中包含了?chainId?字段，那么是不是说明无法进行签名消息重放呢？我们继续分析。
function?_executeMessage(????????bytes32?msgId,????????address?sender,????????address?executor,????????uint32?gasLimit,????????uint8?dataType,????????uint256?memory?chainIds,????????bytes?memory?data????)?internal?{????????require(_isMessageVersionValid(msgId));????????require(_isDestinationChainIdValid(chainIds));????????require(!relayedMessages(msgId));????????setRelayedMessages(msgId,?true);????????processMessage(sender,?executor,?msgId,?gasLimit,?dataType,?chainIds,?data);????}
声音 | 眼镜蛇Cobra：吴忌寒推特已经很久没有更新:眼镜蛇Cobra发布推特称，吴忌寒推特已经很久没有更新了。并称自己是吴忌寒在推特上“突然消失”之前最后回复的一个人。Cobra坦言非常担心吴忌寒，称可以想象吴忌寒目前所面临的压力，并期望他一切都好。经过核实，吴忌寒在2018年12月17日转发Aleksandar Kuzmanovic的一条推特后，其推特状态一直显示未更新。而如眼镜蛇Cobra所言，他的确是吴忌寒目前在推特上回复的最后一个人。[2019/1/21]
通过追查?_executeMessage?函数，发现函数在#L11行对?chaindId?进行了合法性的检查function?_isDestinationChainIdValid(uint256?_chainId)?internal?returns?(bool?res)?{
????????return?_chainId?==?sourceChainId();????}????function?sourceChainId()?public?view?returns?(uint256)?{????????return?uintStorage;????}
通过继续分析后续的函数逻辑，不难发现其实针对?chainId?的检查其实并没有使用?evm?原生的?chainId?操作码来获取链本身的?chainId，而是直接使用存储在?uintStorage?变量中的值，那这个值很明显是管理员设置进去的，所以可以认为消息本身并不带有链标识，那么理论上就是可以进行签名消息重放的。
由于在硬分叉过程中，分叉前的所有状态在两条链上都会原封不动的保留，在后续?xDAI?团队没有额外操作的情况下。分叉后?ETHW?和?ETH?主网上?OmniBridge?合约的状态是不会有变化的，也就是说合约的?validator?也是不会有变化的。根据这一个情况，我们就能推断出?validator?在主网上的签名也是可以在?ETHW?上完成验证的。那么，由于签名消息本身不包含?chainId，攻击者就可以利用签名重放，在?ETHW?上提取同一个合约的资产。
PolygonBridge
和?OmniBridge?一样，PolygonBridge?是用于在?Polygon?和?ETH?主网进行资产转移的桥。与?OmniBridge?不同，PolygonBridge?依赖区块证明进行提款，逻辑如下：
function?exit(bytes?calldata?inputData)?external?override?{????????//...省略不重要逻辑????????//?verify?receipt?inclusion????????require(????????????MerklePatriciaProof.verify(????????????????receipt.toBytes(),????????????????branchMaskBytes,????????????????payload.getReceiptProof(),????????????????payload.getReceiptRoot()????????????),????????????"RootChainManager:?INVALID_PROOF"????????);????????//?verify?checkpoint?inclusion????????_checkBlockMembershipInCheckpoint(????????????payload.getBlockNumber(),????????????payload.getBlockTime(),????????????payload.getTxRoot(),????????????payload.getReceiptRoot(),????????????payload.getHeaderNumber(),????????????payload.getBlockProof()????????);????????ITokenPredicate(predicateAddress).exitTokens(????????????_msgSender(),????????????rootToken,????????????log.toRlpBytes()????????);????}
动态 | 眼镜蛇Cobra：当主流社群绝望时可以买入:眼镜蛇Cobra发推特表示，当亲人朋友谈论说他们想要投资比特币时，卖出；当主流媒体和先前比特币持有者宣布比特币已死，项目失败以及失去希望时，买进。另外，他表示，最近在比特币世界里，我有一种奇怪的感觉。就好像有什么大事要发生了，但我说不出来。对于这样一个事件，创世区块10周年纪念似乎是一个很好的契机。感觉像是一场革命即将来临。一个重大形式的转变。[2018/12/5]
通过函数逻辑，不难发现合约通过2个检查确定消息的合法性，分别是通过检查transactionRoot?和?BlockNumber?来确保交易真实发生在子链(PloygonChain)，第一个检查其实可以绕过，因为任何人都可以通过交易数据来构造属于自己的?transactionRoot，但是第二个检查是无法绕过的，因为通过查看_checkBlockMembershipInCheckpoint逻辑可以发现：
function?_checkBlockMembershipInCheckpoint(????????uint256?blockNumber,????????uint256?blockTime,????????bytes32?txRoot,????????bytes32?receiptRoot,????????uint256?headerNumber,????????bytes?memory?blockProof????)?private?view?returns?(uint256)?{????????(????????????bytes32?headerRoot,????????????uint256?startBlock,????????????,????????????uint256?createdAt,????????)?=?_checkpointManager.headerBlocks(headerNumber);????????require(????????????keccak256(????????????????abi.encodePacked(blockNumber,?blockTime,?txRoot,?receiptRoot)????????????)????????????????.checkMembership(????????????????blockNumber.sub(startBlock),????????????????headerRoot,????????????????blockProof????????????),????????????"RootChainManager:?INVALID_HEADER"????????);????????return?createdAt;????}
Cobra：比特大陆矿池并不符合中本聪的愿景:比特币官方论坛Bitcoin.org持有人Cobra：吴忌寒领导的比特大陆矿池并不符合中本聪的愿景，挖矿应该是分散的、去中心化的，而不是被一个总是攻击比特币的人掌控。[2018/6/6]
对应的?headerRoot?是从?_checkpointManager?合约中提取的，顺着这个逻辑我们查看?_checkpointManager设置?headerRoot?的地方
function?submitCheckpoint(bytes?calldata?data,?uint?calldata?sigs)?external?{????????(address?proposer,?uint256?start,?uint256?end,?bytes32?rootHash,?bytes32?accountHash,?uint256?_borChainID)?=?abi????????????.decode(data,?(address,?uint256,?uint256,?bytes32,?bytes32,?uint256));????????require(CHAINID?==?_borChainID,?"Invalid?bor?chain?id");????????require(_buildHeaderBlock(proposer,?start,?end,?rootHash),?"INCORRECT_HEADER_DATA");????????//?check?if?it?is?better?to?keep?it?in?local?storage?instead????????IStakeManager?stakeManager?=?IStakeManager(registry.getStakeManagerAddress());????????uint256?_reward?=?stakeManager.checkSignatures(????????????end.sub(start).add(1),????????????/**??????????????????prefix?01?to?data?????????????????01?represents?positive?vote?on?data?and?00?is?negative?vote????????????????malicious?validator?can?try?to?send?2/3?on?negative?vote?so?01?is?appended?????????????*/????????????keccak256(abi.encodePacked(bytes(hex"01"),?data)),????????????accountHash,????????????proposer,????????????sigs????????);//....剩余逻辑省略
IOTA将在5月4日0点上线COBINHOOD:据IOTA官方消息，将在5月4日0点上线COBINHOOD，同时开启BTC、ETH和USDT交易对，上市两周后开启提款功能。IOTA现全球均价2.1美元，涨幅13.12%。[2018/5/2]
不难发现在#L2行代码中，签名数据仅对?borChianId?进行了检查，而没有对链本身的?chainId?进行检查，由于该消息是由合约指定的?proposer?进行签名的，那么理论上攻击者也可以在分叉链上重放?proposer?的消息签名，提交合法的?headerRoot，后续再通过?PolygonBridge进行在?ETHW链中调用?exit?函数并提交相应的交易?merkleproof?后就可以提现成功并通过?headerRoot?的检查。
以地址0x7dbf18f679fa07d943613193e347ca72ef4642b9为例，该地址就成功通过以下几步操作完成了对?ETHW?链的套利
首先依靠钞能力主网交易所提币。
在?Ploygon?链上通过?PolygonBridge?的?depositFor?函数进行充币；
ETH?主网调用?PolygonBridge?的?exit?函数提币；
复制提取?ETH?主网?proposer?提交的?headerRoot；
在?ETHW?中重放上一步提取的?proposer?的签名消息；
在?ETHW?中的?PolygonBridge?上调用?exit?进行提币
为什么会发生这种情况？
从上面分析的两个例子中，不难发现这两个协议在?ETHW?上遭遇重放攻击是因为协议本身没有做好防重放的保护，导致协议对应的资产在分叉链上被掏空。但是由于这两个桥本身并不支持?ETHW?分叉链，所以用户并没有遭受任何损失。但我们要考虑的事情是为什么这两个桥在设计之初就没有加入重放保护的措施呢？其实原因很简单，因为无论是?OmniBridge?还是?PolygonBridge，他们设计的应用场景都非常单一，只是用于到自己指定的对应链上进行资产转移，并没有一个多链部署的计划，所以没有重放保护而言对协议本身并不造成安全影响。
反观?ETHW?上的用户，由于这些桥本身并不支持多链场景，如果用户在?ETHW?分叉链上进行操作的话，反而会在?ETH?主网上遭受消息重放攻击。
以?UniswapV2?为例，目前在?UnswapV2?的?pool?合约中，存在?permit?函数，该函数中存在变量?PERMIT_TYPEHASH，其中包含变量?DOMAIN_SEPARATOR。
function?permit(address?owner,?address?spender,?uint?value,?uint?deadline,?uint8?v,?bytes32?r,?bytes32?s)?external?{????????require(deadline?>=?block.timestamp,?'UniswapV2:?EXPIRED');????????bytes32?digest?=?keccak256(????????????abi.encodePacked(????????????????'\x19\x01',????????????????DOMAIN_SEPARATOR,????????????????keccak256(abi.encode(PERMIT_TYPEHASH,?owner,?spender,?value,?nonces,?deadline))????????????)????????);????????address?recoveredAddress?=?ecrecover(digest,?v,?r,?s);????????require(recoveredAddress?!=?address(0)?&&?recoveredAddress?==?owner,?'UniswapV2:?INVALID_SIGNATURE');????????_approve(owner,?spender,?value);????}
此变量最早在?EIP712?中定义，该变量中含有?chainId，在设计之初就包含可能的多链场景的重放预防，但是根据?uniswapV2pool?合约的逻辑，如下：
constructor()?public?{???????uint?chainId;???????assembly?{???????????chainId?:=?chainid???????}???????DOMAIN_SEPARATOR?=?keccak256(???????????abi.encode(???????????????keccak256('EIP712Domain(string?name,string?version,uint256?chainId,address?verifyingContract)'),???????????????keccak256(bytes(name)),???????????????keccak256(bytes('1')),???????????????chainId,???????????????address(this)???????????)???????);???}
DOMAIN_SEPARATOR?在构造函数中已经定义好，也就是说在硬分叉后，就算链本身的?chainId?已经改变，pool?合约也无法获取到新的?chianId?来更新?DOMAIN_SEPARATOR，如果未来用户在?ETHW上进行相关授权，那么ETHW上的?permit?签名授权可以被重放到?ETH?主网上。除了?Uniswap?外，类似的协议还有很多，比如特定版本下的?yearnvault合约，同样也是采用了固定?DOMAIN_SEPARATOR?的情况。用户在?ETHW?上交互的时候也需要防范此类协议的重放风险。
开发者而言，在为协议本身定制消息签名机制的时候，应该考虑后续可能的多链场景，如果路线图中存在多链部署的可能，应该把?chainId?作为变量加入到签名消息中，同时，在验证签名的时候，由于硬分叉不会改变分叉前的任何状态，用于验证签名消息的?chainId不应该设置为合约变量，而应该在每次验证前重新获取，然后进行验签，保证安全性。对用户的影响
普通在协议不支持分叉链的情况下，应尽量不在分叉链上进行任何操作，防止对应的签名消息重放到主网上，造成用户在主网上损失资产
总结
随着多链场景的发展，重放攻击从理论层面逐步变成主流的攻击方式，开发者应当仔细考量协议设计，在进行消息签名机制的设计时，尽可能的加入?chainId?等因子作为签名内容，并遵循相关的最佳实践，防止用户资产的损失。
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