公链安全之比特币任意盗币漏洞浅析(CVE-2010-5141)

本期DVP漏洞专题是比特币漏洞CVE-2010-5141,这个漏洞可以导致攻击者盗取任何人的比特币,危害十分严重。万幸的是该漏洞并没有被利用过,而且修复速度极快。该漏洞与比特币的脚本引擎有关,对公链开发者具有参考意义;从当下市场上的公链来看,大多数都内置了虚拟机或脚本引擎,以此来打造DApp生态,同时也是区块链的大趋势之一。

一、比特币当中的UTXO模型是什么?

Tips:在漏洞代码片段中涉及一些UTXO的相关知识、概念,所以对该漏洞进行理论分析之前需要先了解一下这些知识,已经了解的可以直接跳过。


Ⅰ、账户模型与UTXO模型

我们在看UTXO模型之前先说说常见的账户模型,什么是账户模型?账户模型的数据结构简单可以理解为“账号=>余额”,每个账号都对应一个余额。举个例子:若账号A向账号B转账200,在账户模型中完成这个转账操作只需要A-200然后B+200;目前大部分软件都采用的是账户模型,比如银行系统、以太坊等等。

而比特币却使用了自行研发的UTXO模型,UTXO中是没有“账号=>余额”这样的数据结构的,那怎么进行转账?


Ⅱ、比特币如何操作转账

以上面A向B转账为例,在UTXO中完成这个转账需要以下操作:

1. 找到A账号下200余额的来源,也就是意味着要找到A收款200的这笔交易x

2. 以x交易为输入,以向B转账200的交易y为输出,x与y对应且x与y的转账金额必须相等

3. x交易被标记为已花费,y交易被标记为未花费


两笔交易的转账金额必须相等,简单解释就是收到多少就只能转出多少,实际上确实是这样。

但是又必须只给别人转一部分的时候怎么办?答案是只向他人转一部分,然后剩下的一部分转给自己另外一个号。


Ⅲ、引用两张来自网络的图文:

图片.png

账户模型

图片.pngUTXO模型


在本文当中比特币为什么采用UTXO模型不是重点,我们了解UTXO的原理即可。


二、比特币的脚本引擎

比特币脚本是非图灵完备的。比特币使用自行定义的一种脚本进行交易和其他的操作,为比特币提供有限的灵活性。实现诸如多重签名、冻结资金等简单功能,但更多的就不行了。

比特币这么做的原因是牺牲一定的完备性来保障安全性。比特币脚本的原理是先定义了一堆操作码,然后脚本引擎基于堆栈来逐个执行每个操作码。

堆栈很好理解,队列是先进后出,而堆栈正好相反,是先进先出,将一个元素压入(push)堆栈后该元素会被最先弹出(pop)。

在比特币早期的版本中发送一笔标准转账(pay-to-pubkey)交易需要脚本签名(scriptSig)和公钥验证脚本(scriptPubKey),具体处理流程如下:

图片.png

先填入要执行的脚本(Script),然后签名(sig)和公钥(pubKey)被压入堆栈,然后操作码OP_CHECKSIG会去验证签名等,若验证通过就将true压入堆栈,否则就将false压入堆栈。


三、CVE-2010-5141漏洞分析

了解以上知识后就可以开始分析CVE-2010-5141漏洞了。笔者下载了存在漏洞的版本0.3.3,下载地址在github的bitcoin仓库中找release.

script.cpp代码片段VerifySignature函数:

图片.png

执行每个交易都会调用VerifySignature函数,该函数用于执行脚本以及验证签名,然后给交易标注是否被花费。

首先txFrom参数是上一笔交易,txTo是正在处理的这笔交易,如果理解了上面的章节中讲解过的UTXO模型,这里就不难理解了。重点看1125行代码,调用了EvalScript函数,第一个参数是txin.scriptSig(包含签名信息)+分隔操作码OP_CODESEPARATOR+ txout.scriptPunKey(包含公钥信息、OP_CHECKSIG指令),这些就是EvalScript函数要执行的脚本,后面的参数可以暂时不用管,只要EvalScript函数返回true那么这笔验证签名就通过了。EvalScript函数如何才能返回true?

图片.png

首先堆栈不能是空的,然后栈顶强转bool后必须是true。笔者简单解读为必须要有栈顶而且值不能是0。


然后再看关键的OP_CHECKSIG操作码

(注:由于操作码太多,本文针对OP_CHECKSIG操作码)

图片.png上面代码不难理解,调用Checksig函数来验证签名,然后返回给FSuccess变量,如果为真就压一个vchTrue(非0)进栈,否则就压一个vchFalse(0)进栈;如果opcode是OP_CHECKSIGVERIFY而不是OP_CHECKSIG的话就让vchTrue出栈,并开始执行后面的操作码。

按照OP_CHECKSIG的正常逻辑,验证签名不成功的话一定会有一个vchFalse留在栈顶,虽然堆栈不为空,但是栈顶的值是0,还是会返回false。

回到之前的代码,EvalScript函数执行的脚本主要由以下变量组成:

1. txin.scriptSig

2. OP_CODESEPARATOR

3. txout.scriptPubKey

第一个签名信息可控,第二个不用管只是一个分割符,会被删掉,第三个不可控,因为是来自上一个交易。


第一个变量可控,而且是作为脚本执行,所以这个变量可以不仅仅是签名信息,还能是opcode,这就好办了,下面需要引用一个神奇的操作码 OP_PUSHDATA4,我们看看比特币0.3.3是怎么处理这个操作码的:

图片.png

首先获取操作码。如果操作码的值小于或者等于OP_PUSHDATA4的值就把vchPushValue全压入堆栈,再跟进GetOp函数

图片.png

经翻阅源码,发现OP_PUSHDATA4指令被定义为78,所以当函数遇到OP_PUSHDATA4时,指针会向又移78+4=82位,其中78位数据会被压入栈,所以只要在txin.scriptSig中注入一个OP_PUSHDATA4操作码,后面的公钥信息以及OP_CHECKSIG指令都会被”吃掉”并作为参数入栈,当指针走到最后时,进行最后的判断:

1. 堆栈是否为空?不是

2. 栈顶元素是否为0?不是

于是满足条件EvalScript函数返回true,然后VerifySignature函数也返回true,既然签名验证都绕过了,那别人的比特币便可以任意花费了。


四、CVE-2010-5141漏洞修复方案

笔者下载了比特币版本0.3.8,直接看关键部分代码

图片.png

修复方案也很明确,把scriptSig和scriptPubkey分开执行,无论你scriptSig里面有什么也不会影响到后面的scriptPubkey执行。


写在最后:

因为比特币漏洞分析是从DVP第一期漏洞专题开始连载的,目前素材来自2010年,目前漏洞分析主要存在以下难点:

1. 漏洞相关资料非常少,大多数漏洞都只有一个CVE编号和简介,不查阅大量资料无从入手。

2. 环境搭建难,难在编译、私链搭建(早期的比特币甚至没有私链这个概念)等,比特币早期的源码编译需要的依赖现在很多都已经不维护并下线了。

基于这些原因,所以笔者仅做了理论研究,并未进行实践验证,如有错误之处还请指正。


五、参考链接

https://bitcoin.stackexchange.com/questions/37403/which-release-fixed-cve-2010-5141-attacker-can-spend-any-coin

https://en.bitcoin.it/wiki/Script

*文章为作者独立观点,不代表BSCEC立场

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白帽汇安全研究院转载2019-01-11 11:02:53 DVPNET 1149