Безопасность блокчейна: уязвимости, атаки и будущее защиты

Блокчейн часто называют революционной технологией благодаря его децентрализации и прозрачности. Однако даже самая надежная система не застрахована от уязвимостей. Атаки 51%, ошибки в смарт-контрактах и двойная трата — это лишь некоторые из угроз, с которыми сталкиваются блокчейн-сети. В статье разберем ключевые риски, методы их предотвращения и перспективы безопасности блокчейн-технологий.

Как блокчейн обеспечивает безопасность и где слабые места

Блокчейн — это распределенная база данных, которая обеспечивает безопасность и прозрачность транзакций благодаря нескольким ключевым принципам. Он предлагает уникальные механизмы защиты, которые делают его крайне привлекательным для различных сфер, включая финансовые системы, логистику и даже государственное управление. Однако, несмотря на свою репутацию надежной технологии, блокчейн не застрахован от уязвимостей и угроз.

Основные принципы работы блокчейна:

Неизменяемость — одна из главных характеристик блокчейна. Как только информация заносится в блокчейн, она не может быть изменена или удалена без того, чтобы это не стало очевидным для всех участников сети. Каждый блок содержит хеш предыдущего блока, и если попытаться изменить данные в одном блоке, это приведет к изменению хеша, что нарушит целостность всей цепочки.
Децентрализация. В отличие от традиционных централизованных систем, где управление и хранение данных сосредоточено в руках одной организации, блокчейн работает на принципе децентрализации. Это означает, что копия блокчейна хранится на множестве узлов по всему миру, и каждый узел имеет одинаковые права для проверки и записи транзакций. Такая структура делает систему более устойчивой к атакам и сбоям.
Консенсус. Чтобы транзакция была подтверждена и добавлена в блокчейн, участники сети должны прийти к согласию. Это достигается через консенсус-алгоритмы, такие как Proof-of-Work (PoW) или Proof-of-Stake (PoS), которые обеспечивают справедливое и прозрачное принятие решений о том, какие блоки будут добавлены в цепочку.

Несмотря на свою безопасность, архитектура блокчейна не лишена уязвимостей, которые могут быть использованы злоумышленниками.

Виктор Тимашков

Инженер по безопасности приложений, УЦСБ

Архитектуру блокчейн можно разделить на несколько основных уровней: инфраструктурный, сетевой, консенсуса, данных и прикладной. Каждый уровень имеет свои особенности и потенциальные уязвимости. Однако наибольшее число известных атак сосредоточено на двух из них:

Сетевой уровень. Обеспечивает связь между узлами, управляя обменом информацией по сети. На этом уровне безопасность зависит от протоколов передачи данных и взаимодействия узлов. Наиболее известной атакой на этот уровень является атака Сивиллы, направленная на захват контроля над множеством узлов в сети. Для реализации этой атаки могут использоваться как сами ноды блокчейна, так и аккаунты в социальных сетях, адреса криптовалютных кошельков и другие сущности, позволяющие злоумышленнику выдать себя за нескольких участников сети. Последствия от подобные атаки позволяют нарушить алгоритмы консенсуса, манипулировать механизмами голосования и заполнить сеть ложными данными. Сеть Tor подверглась атакам Сивиллы, направленным на деанонимизацию пользователей путем контроля значительной части выходных узлов. В блокчейн-экосистеме, механизмы консенсуса служат основной защитой от атак типа Сивиллы. Хотя разные методы предлагают различные уровни защиты, они значительно затрудняют злоумышленникам создание нескольких учетных записей для успешной реализации задуманного. В системах на базе Proof-of-Work злоумышленник не может просто использовать одну ноду для создания множества ложных идентичностей — потребуется значительная вычислительная мощность для контроля над генерацией новых блоков, что крайне непросто и дорого. В блокчейнах с механизмом Proof-of-Stake создание блоков также может быть экономически невыгодным для атакующих. Например, Ethereum требует от пользователей залога в 32 ETH для участия в качестве валидаторов, а мошеннические действия чреваты серьезными финансовыми последствиями (слешингом).

Прикладной уровень. Смарт-контракты представляют собой приложения в блокчейн сети, который автоматизирует проверку и выполнение контрактных условий, тем самым исключая необходимость использования посредников. Они обеспечивают прозрачность, эффективность и надежность цифровых сделок, однако, как и обычные программы, могут содержать уязвимости и создавать риски для информационной безопасности. Сообщество OWASP (Open Worldwide Application Security Project) составило список Smart Contract Top 10, предоставляющий разработчикам в области Web3 и экспертам по безопасности детальное описание десяти наиболее распространенных уязвимостей смарт-контрактов. Основные механизмы и меры, которые помогают обеспечить безопасность смарт-контрактов, включают аудит исходного кода, тестирование различными типами данных, создание резервных механизмов управления контрактом.

Централизация в децентрализованных системах. Хотя блокчейн по своей природе децентрализован, на практике многие проекты имеют точки центрального контроля. Например, в некоторых случаях консенсус-алгоритмы могут быть настроены таким образом, что небольшая группа участников сети контролирует большинство вычислительных мощностей, что ослабляет децентрализацию.

Недостатки консенсус-алгоритмов. Некоторые консенсус-алгоритмы, такие как Proof-of-Work, могут быть уязвимы к атакам, использующим огромные вычислительные мощности, как это происходит в случае с атаками 51%. Это ставит под угрозу безопасность сети, так как злоумышленники могут получить контроль над блокчейном и изменить его структуру.

Таким образом, хотя блокчейн предлагает высокий уровень безопасности, его архитектура не застрахована от уязвимостей, которые могут быть использованы злоумышленниками.

Типы атак на блокчейн и их опасность

Блокчейн-системы, несмотря на свою высокую степень безопасности, могут подвергаться различным типам атак. Злоумышленники могут использовать уязвимости в архитектуре и коде сети для получения контроля над системой, манипуляции с транзакциями или даже кражи средств.

Сергей Полунин

Руководитель группы защиты инфраструктурных ИТ-решений компании «Газинформсервис»

Невозможно выделить какую-то одну атаку и объявить ее самой опасной. Любая атака на блокчейн компрометирует его и, как следствие, теряется доверие пользователей. Для каждой из атак есть свои методы противодействия. Например, переход к Proof of Stake от Proof of Work надежно защищает от атак 51%, потому что принятие решения переходит к пользователям, которые владеют большей частью монет. С эгоистичными майнерами можно бороться с помощью контроля над пулами майнеров. Если не допускать излишней централизации сети, то этой проблемы не будет. Но не стоит забывать о традиционных вещах вроде надежного хранения ключей шифрования, двухфакторной аутентификации и подобных вещах. Всё это кирпичики, из которых строится безопасность инфраструктуры блокчейна.

Рассмотрим несколько наиболее опасных типов атак.

Атака 51%

Атака 51% — это одна из самых известных угроз для блокчейн-сетей, использующих алгоритм консенсуса Proof-of-Work (PoW). В такой атаке злоумышленники получают контроль над более чем 50% вычислительных мощностей сети. Это позволяет им:

Изменять порядок транзакций — атакующие могут манипулировать порядком блоков, что позволяет им отменить или изменить уже подтвержденные транзакции.
Создать отказ от транзакций — с помощью 51% атаки злоумышленники могут исключить транзакции из блокчейна, что приведет к их отмене.

Эта угроза особенно актуальна для блокчейн-сетей с низким уровнем хешрейта, где для достижения контроля над сетью достаточно сравнительно небольшого количества вычислительных мощностей.

Двойная трата и манипуляции со смарт-контрактами

Двойная трата — это тип атаки, при котором злоумышленник пытается потратить одни и те же средства дважды. Это возможно, если он получает контроль над частью сети, как в случае с атакой 51%, или использует уязвимости в смарт-контрактах. Пример двойной траты можно наблюдать в сети Bitcoin или Ethereum, когда злоумышленник отправляет одну транзакцию в сеть, а затем пытается провести вторую, отменяя первую.

Манипуляции со смарт-контрактами — это еще один способ атаки, который позволяет злоумышленникам изменять условия выполнения контрактов в свою пользу. Смарт-контракты, будучи программируемыми, могут содержать ошибки в коде, которые можно использовать для:

Неавторизованного перевода средств. Если в контракте есть уязвимости, злоумышленники могут переписать его логику, чтобы деньги ушли на их адрес.
Изменения условий выполнения. Манипуляции с условиями контракта могут привести к тому, что одна сторона не выполнит свои обязательства, что нарушит баланс системы.

Примером таких атак является инцидент с DAO на платформе Ethereum, когда злоумышленник использовал уязвимость в смарт-контракте для вывода средств на свой кошелек, что привело к потере миллионов долларов.

Уязвимости в коде и ошибки человеческого фактора

Уязвимости в коде — это еще одна серьезная угроза для блокчейн-систем. Блокчейн-протоколы и смарт-контракты часто разрабатываются с ошибками, которые могут быть использованы для взлома сети. Например, ошибки в логике консенсус-алгоритмов или неправильная реализация криптографических функций могут привести к уязвимостям, которые позволяют атакующим манипулировать сетью.

Ошибки человеческого фактора — это не менее важная угроза для безопасности блокчейна. Несмотря на высокую степень автоматизации, блокчейн-системы все равно зависят от людей, которые могут совершать ошибки. Таким образом, уязвимости в коде и ошибки человеческого фактора могут привести к значительным потерям и компрометации безопасности блокчейн-систем.

Инструменты и методы защиты блокчейн-систем

Блокчейн-системы, несмотря на свою высокую степень безопасности, требуют применения различных методов защиты для обеспечения их устойчивости к атакам и уязвимостям.

Аудит смарт-контрактов и сторонние проверки

Аудит смарт-контрактов — это процесс тщательной проверки кода смарт-контрактов на наличие уязвимостей, ошибок и потенциальных уязвимостей, которые могут быть использованы злоумышленниками. Сторонние аудиторы проводят проверку, анализируя код контракта, чтобы убедиться в его безопасности и соответствии заявленным требованиям. Этот процесс включает:

Проверку на логические ошибки — анализ алгоритмов и условий выполнения контракта.
Поиск уязвимостей — выявление слабых мест, которые могут быть использованы для манипуляций с контрактом.
Тестирование на стрессоустойчивость — проверка контракта на способность справляться с большим количеством транзакций.

Аудит смарт-контрактов помогает предотвратить атаки, такие как манипуляции с контрактами или утечку средств, обеспечивая высокий уровень доверия к системе.

Современные консенсус-алгоритмы

Консенсус-алгоритмы — это механизмы, которые позволяют участникам сети достигать согласия по поводу состояния блокчейна. Существует несколько типов консенсус-алгоритмов, каждый из которых имеет свои особенности в плане безопасности.

Proof-of-Work (PoW). В этом алгоритме майнеры решают сложные математические задачи, чтобы добавить новый блок в цепочку. PoW является безопасным, но требует значительных вычислительных ресурсов и энергии, что делает его уязвимым для атак с использованием 51% мощности.
Proof-of-Stake (PoS). В PoS участники сети ставят свои средства (криптовалюту) в качестве залога, чтобы получить право на добавление нового блока в блокчейн. Это более энергоэффективный метод, но он может быть уязвим к атакам, если крупные игроки контролируют значительную долю сети.
Делегированный Proof-of-Stake (DPoS). Улучшенная версия PoS, в которой пользователи выбирают делегатов для подтверждения транзакций. Этот алгоритм повышает скорость транзакций и снижает риски, связанные с централизованным контролем.

Каждый из этих алгоритмов имеет свои преимущества и недостатки, и выбор подходящего зависит от требований к безопасности и эффективности системы.

Криптографические методы

Криптография играет ключевую роль в обеспечении безопасности блокчейн-систем. На сегодняшний день используется несколько методов:

Мультиподписи — это метод, при котором для выполнения транзакции требуется несколько подписей от разных участников сети. Это значительно повышает уровень безопасности, так как злоумышленник должен получить доступ к нескольким ключам, чтобы совершить транзакцию.
Хеш-функции — блокчейн использует их для создания уникальных идентификаторов для блоков и транзакций. Хеш-функции обеспечивают целостность данных, так как любое изменение данных в блоке приведет к изменению его хеша, что делает подделку данных невозможной.
zk-SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge) — это криптографический метод, который позволяет доказать, что транзакция является действительной, не раскрывая подробностей самой транзакции. Это повышает конфиденциальность, позволяя пользователям скрывать детали своих операций, сохраняя при этом доверие к сети.

Эти криптографические методы обеспечивают высокий уровень защиты и конфиденциальности в блокчейн-системах.

Улучшение безопасности кошельков и пользовательских данных

Одним из ключевых аспектов безопасности блокчейн-систем является защита кошельков пользователей и их данных. Для этого применяются следующие методы:

Аппаратные кошельки. Использование физических устройств для хранения приватных ключей значительно снижает риски взлома, так как такие кошельки не подключены к интернету и не подвержены онлайн-угрозам.
Многофакторная аутентификация (MFA). Добавление дополнительных уровней безопасности, таких как биометрические данные или одноразовые пароли, помогает защитить доступ к кошелькам и аккаунтам пользователей.
Шифрование пользовательских данных. Все данные, передаваемые через блокчейн, должны быть зашифрованы, чтобы предотвратить их перехват и использование третьими лицами. Это особенно важно для защищенности личных данных и средств пользователей.
Обновления и патчи. Регулярное обновление программного обеспечения кошельков и других компонентов блокчейн-систем помогает закрывать уязвимости и повышать уровень безопасности.

Эти методы и инструменты помогают повысить безопасность блокчейн-систем и защитить пользователей от различных угроз.

Будущее безопасности блокчейна

С развитием технологий и увеличением использования блокчейна в различных сферах, вопросы безопасности становятся еще более актуальными. В ближайшие годы можно ожидать несколько ключевых тенденций, которые значительно повлияют на защиту блокчейн-систем.

Сергей Полунин

Руководитель группы защиты инфраструктурных ИТ-решений компании «Газинформсервис»

Я думаю, что в ближайшие 5 лет блокчейн-технологии будут все более регулировать правительствами различных стран, и, как следствие, будут выработаны стандартные рекомендации по повышению их безопасности. Тот же аудит операторы будут обязаны проходить на регулярной основе, и это скажется на качестве и безопасности предоставляемых услуг. Должны появиться конкретные требования регуляторов по применяемым наложенным средствам и даже по архитектуре самого блокчейна, а также инфраструктуре, где он размещается.

Одной из главных угроз для существующих криптографических методов является квантовая криптография. Квантовые компьютеры, которые могут решить задачи, неподвластные классическим вычислительным системам, угрожают традиционным алгоритмам, таким как RSA и ECC, используемым для защиты данных в блокчейне. В ответ на это исследователи активно работают над созданием новых криптографических протоколов, которые будут устойчивы к атакам квантовых компьютеров. Квантовая криптография обещает значительно повысить уровень безопасности, но пока эта технология находится на стадии разработки и испытаний.

Новые протоколы и алгоритмы также будут играть важную роль в будущем блокчейн-безопасности. Одним из таких направлений является развитие более эффективных и безопасных консенсус-алгоритмов. Например, Proof-of-Stake (PoS) и его модификации, такие как Delegated Proof-of-Stake (DPoS), могут предложить более высокую степень безопасности и энергоэффективности по сравнению с традиционным Proof-of-Work (PoW). Важно отметить, что с развитием блокчейн-сетей будут появляться новые способы предотвращения атак, улучшения масштабируемости и повышения конфиденциальности транзакций.

Влияние искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения на безопасность блокчейна также становится все более значимым. ИИ может быть использован для обнаружения аномалий в транзакциях и предотвращения мошенничества в реальном времени. Алгоритмы машинного обучения могут анализировать паттерны поведения в сети и автоматически выявлять потенциальные угрозы, что позволит более эффективно защищать блокчейн-системы от атак. Кроме того, ИИ может улучшить процессы аудита смарт-контрактов, ускоряя обнаружение уязвимостей и повышая точность проверки кода.

Таким образом, будущее безопасности блокчейна будет определяться развитием квантовой криптографии, новых алгоритмов защиты и внедрением технологий ИИ. Эти изменения помогут не только повысить безопасность, но и улучшить общую эффективность и масштабируемость блокчейн-систем, обеспечив их устойчивость к новым угрозам и вызовам.