什么是日蝕攻擊它的實(shí)現(xiàn)原理是什么

在傳統(tǒng)的client-server網(wǎng)路架構(gòu)中，存在著所謂的中間人攻擊：攻擊者可以攔截通訊雙方的通話(huà)并插入新的內(nèi)容。而在區(qū)塊鏈的世界中，也存在著類(lèi)似的攻擊手法，稱(chēng)為日蝕攻擊。本文將以波士頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)的一篇論文為基礎(chǔ)，對(duì)日蝕攻擊進(jìn)行一個(gè)基本的介紹。

這篇介紹文預(yù)計(jì)分成兩部分，第一部分（即本文）將會(huì)對(duì)Ethereum的P2P做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，如此才能了解日蝕攻擊為何能夠生效。第二部分將介紹波士頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)論文中關(guān)于日蝕攻擊的實(shí)現(xiàn)原理。

在撰寫(xiě)此篇文章的時(shí)候，最新geth版本為1.8.0，而日蝕攻擊論文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為geth 1.6.6 ，本文所描述的各種Ethereum環(huán)境，若無(wú)特別提及，則視作與日蝕攻擊論文一致。

除此之外，Ethereum的重大改版在即，此文中所描述的諸多Ethereum P2P特性都可能面臨巨大的改變，請(qǐng)多加注意。

Ethereum的P2P特色

根據(jù)日蝕攻擊此篇論文的整理，Ethereum的P2P有以下幾點(diǎn)特色（A~G）：

A. 基于Kademlia設(shè)計(jì)的P2P協(xié)定

Kademlia是一種用于檔案共享的結(jié)構(gòu)化P2P協(xié)定，其目標(biāo)為有效率的儲(chǔ)存及定位檔案。BitTorrent以及eMule等檔案共享工具就是基于Kademlia設(shè)計(jì)而成。

在Kademlia的協(xié)定中，每一個(gè)檔案以及每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都被賦予一個(gè)唯一的識(shí)別碼（ ID ），這個(gè)ID是以長(zhǎng)度為b的位元組所形成（在原始的Kademlia中，b =160）。此ID會(huì)用來(lái)計(jì)算所謂的距離參數(shù)（ d，distance，個(gè)人習(xí)慣形容為相異度 ），d值越大表示距離越遠(yuǎn)（相異度越大），計(jì)算方式是對(duì)兩個(gè)ID （ ID?及ID? ）進(jìn)行異或運(yùn)算 （ XOR ），其定義如下：

d = ID ? ⊕ ID ?

一個(gè)簡(jiǎn)單范例如下：

ID? = 10011.。.01

ID? = 10011.。.10

ie ID?及ID?的前158個(gè)位元皆一致

d = ID ? ⊕ ID ? = 10011.。.01 ⊕ 10011.。.10 = 00000.。. 11 = 3

另外，在每一個(gè)Kademlia的節(jié)點(diǎn)里，包含一種稱(chēng)之為桶（bucket）的資料結(jié)構(gòu)。桶里所儲(chǔ)存的是網(wǎng)路中的節(jié)點(diǎn)資訊，桶的數(shù)量即為識(shí)別碼的長(zhǎng)度（ b ），每一個(gè)桶里最多會(huì)儲(chǔ)存k個(gè)節(jié)點(diǎn)的資訊，因此這種資料結(jié)構(gòu)又被稱(chēng)為k桶（ k-bucket ），如下圖：

Ethereum沿用了Kademlia的XOR運(yùn)算及bucket概念，另外在Ethereum的設(shè)計(jì)中，尋找檔案的機(jī)制不再需要，只留下更新節(jié)點(diǎn)資訊的機(jī)制，詳細(xì)內(nèi)容可參考下面敘述（E.節(jié)點(diǎn)資訊的更新方式） 。

在此篇論文中，作者提到無(wú)法理解Ethereum的P2P協(xié)定為何要使用Kademlia。

由于Ethereum中的底層資料結(jié)構(gòu)（chaindata等資料），并未分割成不同的小片段去作分散式儲(chǔ)存，因此也就無(wú)法利用到Kademlia中尋找檔案的特性。

個(gè)人猜測(cè)或許是Ethereum當(dāng)初在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，曾經(jīng)有考慮要將底層資料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分散式儲(chǔ)存？此點(diǎn)還待高手協(xié)助解惑。

B. ECDSA公鑰作為節(jié)點(diǎn)ID

Ethereum以ECDSA公鑰作為節(jié)點(diǎn)ID，其ID長(zhǎng)度為512bits。同一臺(tái)機(jī)器（同一個(gè)IP）可以運(yùn)行數(shù)個(gè)Ethereum節(jié)點(diǎn)，亦即一個(gè)IP可以產(chǎn)生數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)ID，這是日蝕攻擊能夠生效的因素之一。

C. UDP協(xié)定與TCP協(xié)定負(fù)責(zé)不同層級(jí)的訊息交換

在Ethereum中，P2P資訊的交換是藉由UDP來(lái)進(jìn)行，而區(qū)塊資訊的交換則是在TCP上進(jìn)行。

Ethereum UDP所傳遞的資訊可分為四種：ping，pong，findnode以及neighbor。

· ping and pong： ping訊息用來(lái)嘗試探知某個(gè)節(jié)點(diǎn)，若是該節(jié)點(diǎn)接受到 ping訊息即會(huì)返回 pong訊息。

· findnode and neighbor：findnode訊息會(huì)附帶一個(gè)節(jié)點(diǎn)ID（假設(shè)為 t ）， findnode將會(huì)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)（假設(shè)為 x ）詢(xún)問(wèn)距離 t最近的節(jié)點(diǎn)資訊，亦即詢(xún)問(wèn) x的節(jié)點(diǎn)列表中距離t最近的節(jié)點(diǎn)。x會(huì)將這些距離 t最近的節(jié)點(diǎn)資訊，以 neighbor訊息返回，最多會(huì)返回16筆節(jié)點(diǎn)資訊。

為了防御重放攻擊（replay attacks），UDP傳遞的這些資訊，都會(huì)加上時(shí)間戳記（timestamp），當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)某一個(gè)UDP訊息其時(shí)間比本機(jī)時(shí)間還老舊（比本機(jī)時(shí)間早20秒） ，就會(huì)丟棄該訊息。

Ethereum的TCP連線可分為兩種，一種是由本機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求給其他節(jié)點(diǎn)的outgoing連線，另一種是其他節(jié)點(diǎn)發(fā)起請(qǐng)求給本機(jī)節(jié)點(diǎn)的incoming連線。一個(gè)Ethereum節(jié)點(diǎn)同一時(shí)間最多可允許25個(gè)TCP連線存在（ maxpeers ），而在geth 1.8.0版之前，這25個(gè)TCP連線可以全部都是incoming連線，這也是日蝕攻擊能夠生效的其中一個(gè)因素。

D. 儲(chǔ)存P2P節(jié)點(diǎn)資訊的資料結(jié)構(gòu)

Ethereum有兩種儲(chǔ)存節(jié)點(diǎn)資訊的資料結(jié)構(gòu)，一種用于長(zhǎng)期儲(chǔ)存，日蝕攻擊論文的作者稱(chēng)之為db。db會(huì)將節(jié)點(diǎn)資訊持久化的儲(chǔ)存于硬碟內(nèi)，因此每次節(jié)點(diǎn)重啟時(shí)，db的資料仍會(huì)保存。db內(nèi)儲(chǔ)存了數(shù)筆節(jié)點(diǎn)的資訊，每一筆資訊包含以下的欄位：

· nodeIP：節(jié)點(diǎn)IP

· tcpPort：TCP Port number

· udpPort：UDP Port number

· latestPing：最近一次嘗試接觸該節(jié)點(diǎn)的時(shí)間（亦即ping訊息送出的時(shí)間）

· latestPong：最近一次該節(jié)點(diǎn)回應(yīng)的時(shí)間（亦即收到pong訊息的時(shí)間）

· failedTimes：以findnode嘗試詢(xún)問(wèn)該節(jié)點(diǎn)卻失敗的次數(shù)

以上欄位名稱(chēng)并非Ethereum geth原始碼中所定義的名稱(chēng)，只是為了方便本文后續(xù)說(shuō)明而定義的名稱(chēng)。

Ethereum本機(jī)節(jié)點(diǎn)會(huì)定期檢查db內(nèi)的每筆節(jié)點(diǎn)資訊，若是某節(jié)點(diǎn)的latestPong與當(dāng)下時(shí)間間隔已經(jīng)超過(guò)一天，則將該節(jié)點(diǎn)從db中移除。

另一種結(jié)構(gòu)是短期儲(chǔ)存，稱(chēng)之為table，每次重啟節(jié)點(diǎn)時(shí)，table都會(huì)是空的。table含有256個(gè)bucket，每個(gè)bucket又包含16筆其他節(jié)點(diǎn)的資料，每筆資料的欄位如下：

· nodeID：節(jié)點(diǎn)ID

· nodeIP：節(jié)點(diǎn)IP

· tcpPort：TCP Port number

· udpPort：UDP Port number

bucket內(nèi)的每筆節(jié)點(diǎn)資料都會(huì)按照加入順序而排序，當(dāng)一個(gè)bukcet已經(jīng)額滿(mǎn)卻還有新節(jié)點(diǎn)資料要加入的時(shí)候，本機(jī)節(jié)點(diǎn)會(huì)傳送ping訊息給bukcet中最早加入的節(jié)點(diǎn)，若是最早加入的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有回應(yīng)pong訊息，則移除最早加入的節(jié)點(diǎn)，并將新節(jié)點(diǎn)加入，反之則丟棄新節(jié)點(diǎn)。

為了決定某一個(gè)節(jié)點(diǎn)資訊要放到哪一個(gè)bucket之中，需配合logdist函式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，過(guò)程如下，其中ID?及ID?是logdist函式的輸入?yún)?shù)：

H? = SHA3（ID?） ，where ID? is the ID of local node

H? = SHA3（ID?） ，where ID? is the ID of other node

r = similarity（H?，H?） ，where 0 ≤ r ≤ 255

i.e. r is number of most significant bits that H? and H? are the same

經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算得到r值后，就可算出節(jié)點(diǎn)會(huì)被儲(chǔ)存在編號(hào)為bucket_num （等于256﹣ r ）的bucket之內(nèi)。由于logdist函式的特性，節(jié)點(diǎn)在不同bucket_num的分配會(huì)呈現(xiàn)高度偏移（highly-skewed）的狀況，即任一節(jié)點(diǎn)有較高機(jī)率被分配到bucket_num較大的bucket中，其機(jī)率分布如下式：

P? = 1 / （ 2^（ r +1） ） ，where 0 ≤ r ≤ 255 ， bucket_num = 256﹣ r

根據(jù)上式，機(jī)率分布圖如下：

理論上table結(jié)構(gòu)最大可容納4096筆節(jié)點(diǎn)資料（一個(gè)bucket最多容納16筆，共有256個(gè)bucket ） ，但是由于這種高度偏移狀況，實(shí)際上table大部分的時(shí)間只會(huì)儲(chǔ)存少量的節(jié)點(diǎn)資料（大約150~200筆，參考下圖，出自日蝕攻擊論文）。

E. 節(jié)點(diǎn)資訊的更新方式

Ethereum綜合了下述的預(yù)設(shè)節(jié)點(diǎn)資訊以及運(yùn)算模式，以新增或更新其節(jié)點(diǎn)資訊紀(jì)錄（ table及db ） ：

1.預(yù)設(shè)節(jié)點(diǎn)（ Bootstrap nodes）

Ethereum內(nèi)建（hardcoded）了六筆預(yù)設(shè)節(jié)點(diǎn)資訊。當(dāng)一個(gè)Ethereum節(jié)點(diǎn)初始化并第一次啟動(dòng)時(shí)，db沒(méi)有儲(chǔ)存任何資料，此時(shí)就會(huì)用到預(yù)設(shè)節(jié)點(diǎn)資訊。

2.聯(lián)結(jié)更新運(yùn)算（ Bonding）

聯(lián)結(jié)更新運(yùn)算是本機(jī)節(jié)點(diǎn)嘗試新增或更新某一個(gè)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)資訊的過(guò)程（ db以及table ），其具體過(guò)程如下：

step1-a：檢查該遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)是否已存在于db中

step1-b：檢查failedTimes是否為0

step1-c：檢查latestPong是否小于24小時(shí)

step2：若是第一個(gè)步驟的三個(gè)條件都成立，則將該節(jié)點(diǎn)存入table中對(duì)應(yīng)的bucket，具體存入過(guò)程請(qǐng)參考上述D.儲(chǔ)存P2P節(jié)點(diǎn)資訊的資料結(jié)構(gòu)。 若是有任一條件不成立，則進(jìn)到step3。

step3：嘗試傳送ping訊息給該節(jié)點(diǎn)，若收到該節(jié)點(diǎn)的pong訊息，則于db加入或更新該節(jié) 點(diǎn)資訊，并且將該節(jié)點(diǎn)存入table中對(duì)應(yīng)的bucket。

3. ping訊息觸發(fā)運(yùn)算（ Unsolicited pings ）

當(dāng)本機(jī)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的ping訊息時(shí)，除了回應(yīng)pong訊息給該遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)，本機(jī)節(jié)點(diǎn)也會(huì)針對(duì)該遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行上述的聯(lián)結(jié)更新運(yùn)算（ Bonding ）。

4.尋訪運(yùn)算（ Lookup ）

尋訪運(yùn)算即針對(duì)某一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)找尋其最近節(jié)點(diǎn)，并且紀(jì)錄這些最近節(jié)點(diǎn)，步驟如下：

step1：給定一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，稱(chēng)之為t。

step2：從本機(jī)節(jié)點(diǎn)table中的所有節(jié)點(diǎn)中選出16個(gè)最接近t （根據(jù)logdist函式）的節(jié)點(diǎn)，

這16個(gè)節(jié)點(diǎn)組成“待訪節(jié)點(diǎn)列表”。

step3：本機(jī)分別去訪問(wèn)（ findnode ）“待訪節(jié)點(diǎn)列表”的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)被訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)會(huì)再

各自返回多個(gè)（最多16個(gè)）更接近t的節(jié)點(diǎn)（ neighbor ）。

step4： step3完成后，本機(jī)可得到數(shù)個(gè)新節(jié)點(diǎn)（最多256個(gè)），接著對(duì)這數(shù)個(gè)新節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)結(jié)

更新運(yùn)算（ bonding ）。

step5：從step2所選出的16個(gè)節(jié)點(diǎn)加上step4完成聯(lián)結(jié)更新運(yùn)算的新節(jié)點(diǎn)（最多16+256

個(gè)）中再度組成新的待訪節(jié)點(diǎn)列表，并取代step2原本的待訪節(jié)點(diǎn)列表。

step6：本機(jī)不斷重復(fù)step2 ~ step5，直到節(jié)點(diǎn)資訊不再變化，表示尋訪機(jī)制完成（當(dāng)

step5新的待訪節(jié)點(diǎn)列表與step2原本的待訪節(jié)點(diǎn)列表相同時(shí)，視作不再變化），此

時(shí)會(huì)將這組最新的待訪節(jié)點(diǎn)列表放到一個(gè)lookup_buffer的資料結(jié)構(gòu)中。

F. 種子運(yùn)算（Seeding）

種子運(yùn)算皆由本機(jī)自主觸發(fā)，是以近期之內(nèi)保持在線上的節(jié)點(diǎn)資訊作為更新table資訊的依據(jù)，具體行為是將預(yù)設(shè)節(jié)點(diǎn)以及db之中的節(jié)點(diǎn)資訊復(fù)制到table中，有三種情況會(huì)觸發(fā)種子運(yùn)算：

· 當(dāng)Ethereum節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)

· 每一小時(shí)定期觸發(fā)

· 尋訪運(yùn)算（ Lookup ）啟動(dòng)時(shí)

種子運(yùn)算的具體步驟如下：

step1：本機(jī)節(jié)點(diǎn)檢查是否table為空；若為空，才繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)步驟。

step2：本機(jī)節(jié)點(diǎn)對(duì)六筆預(yù)設(shè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行聯(lián)結(jié)更新運(yùn)算。

step3：從本機(jī)db中，取出latestPong小于或等于120小時(shí)的一組節(jié)點(diǎn)，若這一組節(jié)點(diǎn)的數(shù)

量少于30個(gè)，則全部保留;若數(shù)量多于30個(gè)，則隨機(jī)留下其中30個(gè)。接著本機(jī)節(jié)點(diǎn)針

對(duì)這些節(jié)點(diǎn)去執(zhí)行聯(lián)結(jié)更新運(yùn)算。

step4：本機(jī)節(jié)點(diǎn)以自己為目標(biāo)執(zhí)行尋訪運(yùn)算。

G. Outgoing TCP連線的建立

Ethereum節(jié)點(diǎn)會(huì)持續(xù)建立Outgoing TCP連線，Outgoing TCP連線數(shù)最多可達(dá)13個(gè)（0.5×（1+ maxpeers ））。Ethereum節(jié)點(diǎn)會(huì)準(zhǔn)備兩種執(zhí)行緒：

第一種執(zhí)行緒是discover_task，此執(zhí)行緒之任務(wù)是以一個(gè)隨機(jī)節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)去進(jìn)行尋訪運(yùn)算以持續(xù)更新節(jié)點(diǎn)資訊。

第二種執(zhí)行緒是dial_task，此執(zhí)行緒之任務(wù)用于對(duì)某個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)建立TCP連線，嘗試建立連線前，首先會(huì)檢查幾個(gè)條件：

· 該節(jié)點(diǎn)不在黑名單內(nèi)

· 與該節(jié)點(diǎn)的TCP連線尚未建立

· 是否正在對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行撥號(hào)（ dial ）；若否，則成立

· 是否最近曾對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行撥號(hào)；若否，則成立

整體而言，Ethereum會(huì)由lookup_buffer （經(jīng)由尋訪運(yùn)算得出）及table取得節(jié)點(diǎn)資訊，再?lài)L試去和這些節(jié)點(diǎn)建立TCP連線。

綜合上述，可以整理出Ethereum更新節(jié)點(diǎn)資訊以及連結(jié)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程，如下圖：

以上是關(guān)于Ethereum P2P的簡(jiǎn)介，而日蝕攻擊便是針對(duì)Ethereum建立節(jié)點(diǎn)資訊和連結(jié)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程進(jìn)行攻擊。

日蝕攻擊手法

接下來(lái)的敘述中，只要受害目標(biāo)的所有TCP連線都被攻擊者占據(jù)，我們都定義為完成日蝕攻擊。

A. Monopolizing Connections — 主動(dòng)占據(jù)受害目標(biāo)（victim）的連線

此攻擊的概念就是攻擊者主動(dòng)去占據(jù)受害目標(biāo)的所有TCP連線。這種攻擊能夠成功的原因，是基于Ethereum節(jié)點(diǎn)的幾個(gè)特性：

· 一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有TCP連線可以全部是Incoming連線，也就是由其他遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)發(fā)起請(qǐng)求所形成的連線。

· 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)重啟時(shí)，Outgoing及Incoming的連線數(shù)皆為0。

· 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)重啟時(shí)，需要一段頗長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)建立起Outgoing連線。

根據(jù)論文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在一臺(tái)2 vCPU及2GB RAM的云端服務(wù)器上啟動(dòng)Ethereum節(jié)點(diǎn)，要8秒鐘之后種子運(yùn)算才會(huì)開(kāi)始進(jìn)行，也就是8秒鐘之后才會(huì)開(kāi)始嘗試進(jìn)行Outgoing TCP連線。

攻擊細(xì)節(jié)如下：首先，攻擊者會(huì)產(chǎn)生N個(gè)節(jié)點(diǎn)ID，N的數(shù)量遠(yuǎn)大于一個(gè)Ethereum節(jié)點(diǎn)所能允許的最大TCP連線數(shù)（ maxpeers，預(yù)設(shè)25個(gè)）。接下來(lái)，等到受害節(jié)點(diǎn)重啟之后，立即以這N個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)受害節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Incoming連線。當(dāng)受害者的全部TCP連線都被攻擊者的Incoming連線占據(jù)時(shí)，即完成日蝕攻擊。

論文作者嘗試了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，攻擊者在兩臺(tái)主機(jī)上建立了1000個(gè)攻擊節(jié)點(diǎn)，接著重啟受害者節(jié)點(diǎn)再去攻擊。這個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)了50次，每次都會(huì)將受害者回復(fù)到攻擊前的狀態(tài)。最后發(fā)現(xiàn)50次攻擊里有49次可以完成日蝕攻擊。在失敗的那一次中，受害者節(jié)點(diǎn)成功建立了一條Outgoing連線。

在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，論文作者測(cè)試了網(wǎng)路延遲（latency）的影響。作者這次將受害者節(jié)點(diǎn)安排在距離攻擊者節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方（受害者在新加坡，攻擊者則在紐約），接著一樣建立1000個(gè)攻擊節(jié)點(diǎn)，最后發(fā)現(xiàn)53次的攻擊里只有43次會(huì)完成日蝕攻擊。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者認(rèn)為Ethereum節(jié)點(diǎn)的Incoming連線沒(méi)有限制數(shù)量是關(guān)鍵弱點(diǎn)所在，因此建議應(yīng)該限制Incoming連線數(shù)，以保證Ethereum節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行Outgoing連線。

這一個(gè)建議已經(jīng)被Ethereum社群所采納，在geth 1.8.0版本中， Incoming連線的數(shù)量變成是可以限制的，預(yù)設(shè)上限是maxpeers /3。

B. Table Poisoning — 竄改受害者的節(jié)點(diǎn)資訊列表

在第一種攻擊中，作者在最后提出了防御補(bǔ)強(qiáng)的建議，假設(shè)受害者采納了這個(gè)建議，使得本機(jī)能夠限制Incoming連線數(shù)，那么攻擊者是否仍有機(jī)會(huì)完成日蝕攻擊？

在這種前提下，作者設(shè)想了另一種可能的攻擊方式— Table Poisoning。在Table Poisoning這種攻擊手法中，除了主動(dòng)占據(jù)受害者的Incoming連線，攻擊者還必須設(shè)法侵占受害者的節(jié)點(diǎn)資訊列表，使其列表中的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都是屬于攻擊者所控制的節(jié)點(diǎn)，那么當(dāng)受害者嘗試進(jìn)行Outgoing連線時(shí)，仍然會(huì)連接到攻擊者的節(jié)點(diǎn)，借此達(dá)成占據(jù)其所有TCP連線的意圖，此攻擊經(jīng)由以下幾個(gè)步驟完成。

首先第一步，由于攻擊者知道受害者的節(jié)點(diǎn)ID，攻擊者便可計(jì)算出受害者table的不同bucket中，可能會(huì)儲(chǔ)存哪些節(jié)點(diǎn)資訊（ logdist函式）。由于Ethereum 節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存方式的特性，攻擊者并不需要占滿(mǎn)受害者的所有bucket，攻擊者只要嘗試占滿(mǎn)受害者的最后n個(gè)bucket （ bucket_num從256~256﹣ n ），即可以極高的機(jī)率占據(jù)其TCP連線。所以攻擊者的第一步工作，便是去算出多個(gè)匹配bucket_num的攻擊用節(jié)點(diǎn)ID （以下簡(jiǎn)稱(chēng)IDattack ）。

可預(yù)期的是當(dāng)n越大，需要越多時(shí)間去算出能夠匹配bucket_num的IDattack。

在本論文中，作者選擇n=17作為其bucket攻擊數(shù)量，總共需要計(jì)算出272個(gè)IDattack，作者使用一臺(tái)MacBook Pro進(jìn)行計(jì)算（CPU：i5 2.9 GH；RAM：16 GB），總共需要15分鐘去算出272個(gè)IDattack。

接下來(lái)第二步，在計(jì)算出IDattack之后，便是設(shè)法讓這些IDattack被插入到受害者的db之中。攻擊者會(huì)藉由這些IDattack發(fā)出ping訊息給受害者，受害者收到ping訊息之后，除了回應(yīng)pong訊息，還會(huì)對(duì)這些IDattack進(jìn)行Bonding，如此便可讓這些IDattack被插入到受害者的db之中。

在這個(gè)過(guò)程中，攻擊者每24小時(shí)便會(huì)由這些IDattack發(fā)出ping訊息給受害者，并且攻擊者也要確實(shí)回應(yīng)受害者的ping訊息（返回pong ）以及findnode訊息（攻擊者會(huì)返回空的neighbor訊息），如此這些IDattack便具備了快速占據(jù)受害者table的條件（詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考Bonding運(yùn)算）。

第三步是此攻擊的最后步驟，設(shè)法讓受害者節(jié)點(diǎn)重新啟動(dòng)。Ethereum節(jié)點(diǎn)重新啟動(dòng)時(shí)，其table是空的，攻擊者在這時(shí)會(huì)不斷的藉由已經(jīng)產(chǎn)生的IDattack發(fā)出ping訊息給受害者，由于在第二步中，我們使這些IDattack具備了快速占據(jù)受害者table的條件，此時(shí)便可很快的占據(jù)受害者table。

Ethereum節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)時(shí)，UDP監(jiān)聽(tīng)程序會(huì)先運(yùn)作（此時(shí)就可以連接其他節(jié)點(diǎn)的Incoming連線，并接受其他節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的ping訊息進(jìn)行Bonding運(yùn)算），然后才進(jìn)行種子運(yùn)算程序，兩個(gè)程序之間大約間隔一秒。

藉由種子運(yùn)算的特性，我們可以得知，在table已存有節(jié)點(diǎn)資訊的情況下，種子運(yùn)算并不會(huì)發(fā)生作用，也就是db中沒(méi)有任何節(jié)點(diǎn)資訊會(huì)轉(zhuǎn)移到table中（妨礙種子運(yùn)算），如此受害者的Outgoing連線將全部連接到攻擊者的節(jié)點(diǎn)，到這個(gè)時(shí)候，攻擊者只要再配合Monopolizing Connections攻擊的方法想辦法占據(jù)剩余的Incoming連線，就有機(jī)會(huì)完成日蝕攻擊。

table的更新可能是外部觸發(fā)（Unsolicited pings ，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)發(fā)出ping給本機(jī)）或是自主觸發(fā)（本機(jī)的種子運(yùn)算）。Table Poisoning的作用是嘗試讓自主觸發(fā)失效。

IDattack只是具備快速占據(jù)受害者table的條件，并無(wú)法完全保證table只儲(chǔ)存IDattack。若是有其他誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)嘗試發(fā)出ping訊息給受害者，table中就有可能儲(chǔ)存了誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)。

針對(duì)這種攻擊，作者也執(zhí)行了兩種實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，攻擊者先準(zhǔn)備了一個(gè)已經(jīng)運(yùn)行33天的受害者（地點(diǎn)在紐約），此受害者的db中儲(chǔ)存了25580筆節(jié)點(diǎn)資訊，在那個(gè)時(shí)間點(diǎn)，這已經(jīng)可以視為Ethereum全網(wǎng)的全部節(jié)點(diǎn)數(shù)量。接著作者依上述步驟開(kāi)始進(jìn)行攻擊，第一步和第二步各執(zhí)行一次，第三步則重復(fù)執(zhí)行51次，每次重復(fù)之前都會(huì)將受害者主機(jī)重新啟動(dòng)。

攻擊者準(zhǔn)備了兩臺(tái)攻擊用主機(jī)，一臺(tái)主機(jī)（位于波士頓）以272個(gè)IDattack傳送ping訊息給受害者，另一臺(tái)主機(jī)（位于紐約）則依照Monopolizing Connections攻擊以1000個(gè)攻擊節(jié)點(diǎn)對(duì)受害者進(jìn)行Incoming連線。在這51次的實(shí)驗(yàn)里，有49次受害者的Outgoing連線皆被攻擊者占據(jù)（其中只有19次成功地妨礙種子運(yùn)算），然而這51次中卻只有34次完成日蝕攻擊。

為何此次攻擊的成功率明顯較為低落（比起單純Monopolizing Connections攻擊）？

作者解釋到，由于此實(shí)驗(yàn)仍是使用舊版geth來(lái)進(jìn)行（在他們實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，尚未發(fā)行g(shù)eth 1.8.0，也就是尚未發(fā)行針對(duì)第一種攻擊進(jìn)行修正的版本），為了模擬出限制Incoming連線數(shù)的效果（也就是25個(gè)TCP連線中，一部分必須是屬于Outgoing），攻擊者一開(kāi)始不會(huì)積極搶占受害者的Incoming連線，直到確認(rèn)受害者建立了Outgoing連線，才會(huì)嘗試搶占受害者的Incoming連線，而在這段等待確認(rèn)Outgoing的時(shí)間，受害者可能已經(jīng)連接了其他誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)的Incoming連線，導(dǎo)致日蝕攻擊無(wú)法完成。

而在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，作者測(cè)試了網(wǎng)路延遲（latency）的影響。攻擊者準(zhǔn)備了一個(gè)已經(jīng)運(yùn)行1小時(shí)的受害者（地點(diǎn)在新加玻），此受害者的db中儲(chǔ)存了7000筆節(jié)點(diǎn)資訊。兩臺(tái)攻擊用主機(jī)則與第一個(gè)實(shí)驗(yàn)相同，不再贅述。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)了50次，最后有44次完成了日蝕攻擊，6次的失敗中，有1次是因?yàn)槭芎φ呓⒘薕utgoing連線，另外5次則是其他誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)建立了Incoming連線。

在實(shí)際應(yīng)用上，Table Poisoning仍有缺陷。為了匹配某個(gè)受害者的節(jié)點(diǎn)ID去產(chǎn)生攻擊用節(jié)點(diǎn)ID，攻擊者需要耗費(fèi)可觀的運(yùn)算資源，如果攻擊者想攻擊多個(gè)不同的受害者，就必須產(chǎn)生大量的攻擊用節(jié)點(diǎn)ID，資源的消耗也會(huì)急遽增加。

針對(duì)這種資源消耗的缺陷，作者設(shè)想了另一種產(chǎn)生攻擊用節(jié)點(diǎn)ID的方式，稱(chēng)之為建立尋訪表（ lookup table ）。

針對(duì)Table Poisoning的攻擊手法，作者建議了幾種補(bǔ)強(qiáng)方式，大致上可區(qū)分為兩種策略—改良節(jié)點(diǎn)ID的管理方式以及改良種子運(yùn)算：

1.改良節(jié)點(diǎn)ID的管理方式

此策略的目的在于讓攻擊者無(wú)法輕易的算出IDattack，以及讓攻擊者在同一臺(tái)機(jī)器上（單一個(gè)IP）無(wú)法操縱多個(gè)不同節(jié)點(diǎn)ID。

作者建議，應(yīng)該嚴(yán)格要求同一臺(tái)機(jī)器（同一個(gè)IP）只能同時(shí)與一個(gè)節(jié)點(diǎn)ID相關(guān)，也就是在table及db的儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)，以及nieghbor訊息的結(jié)構(gòu)中應(yīng)該去設(shè)定這個(gè)限制。此外，為了讓攻擊者無(wú)法輕易的算出IDattack，應(yīng)該要改變logdist函式的輸入?yún)?shù)，而尋訪運(yùn)算也應(yīng)該改變其運(yùn)算目標(biāo)。

2. 改良種子運(yùn)算

作者建議，即使table不是空的，仍應(yīng)執(zhí)行種子運(yùn)算。此外，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)在重新啟動(dòng)之后，在被動(dòng)的執(zhí)行聯(lián)結(jié)更新運(yùn)算之前（由Unsolicited pings所觸發(fā)），應(yīng)優(yōu)先執(zhí)行尋訪運(yùn)算。如此以來(lái)，就可以盡量避免被攻擊用節(jié)點(diǎn)ID占據(jù)。

在geth 1.8.0版，作者所建議的改良種子運(yùn)算已經(jīng)實(shí)作。

C. Manipulating Time — 時(shí)間操作攻擊

這個(gè)攻擊利用了Ethereum防御重放攻擊的機(jī)制—若是某個(gè)UDP訊息的時(shí)間戳記比節(jié)點(diǎn)的本機(jī)時(shí)間還要早20秒以上，該訊息將被丟棄。

攻擊者借著操弄NTP等方式，使得受害者的本機(jī)時(shí)間總是比外界真實(shí)時(shí)間還要遲緩20秒以上（也就是比其他誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)遲緩20秒）。如此一來(lái)，受害者將不再理會(huì)其他誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的pong及neighbor訊息，而經(jīng)過(guò)數(shù)日之后，由于過(guò)期檢查機(jī)制，受害者的db將會(huì)清除掉所有的誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)。

另外，由于neighbor訊息都被丟棄，也會(huì)讓尋訪機(jī)制失去效用，導(dǎo)致table內(nèi)的誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)都被清除，最后就會(huì)使得受害者節(jié)點(diǎn)不再儲(chǔ)存任何誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)的資訊。而相對(duì)的，因?yàn)槭芎φ咭膊辉倮頃?huì)其他誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的ping及findnode訊息，在一段時(shí)間之后，其他誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)也就不會(huì)再儲(chǔ)存受害者節(jié)點(diǎn)的資訊。

依據(jù)以上的敘述，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。作者準(zhǔn)備了一臺(tái)已經(jīng)運(yùn)行34天的受害者節(jié)點(diǎn)（在紐約），接著便開(kāi)始對(duì)受害者模擬NTP竄改時(shí)間攻擊（具體做法是直接改變受害者節(jié)點(diǎn)的本機(jī)時(shí)間），實(shí)驗(yàn)進(jìn)行6次，每一次受害者節(jié)點(diǎn)的本機(jī)時(shí)間都比真實(shí)時(shí)間延遲許多（6個(gè)不同的延遲時(shí)間：25秒，70秒，5分鐘，7分鐘，9分鐘，13分鐘），整個(gè)實(shí)驗(yàn)歷時(shí)數(shù)日（從8月17日至9月4日）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，到了攻擊第3天，受害者db中紀(jì)錄的節(jié)點(diǎn)數(shù)量顯著的減少，而且之后便趨于平緩幾乎不再增加（從一開(kāi)始的數(shù)萬(wàn)個(gè)變成10幾個(gè)），而table中的數(shù)量也有一樣的變化趨勢(shì)。

雖然db及table中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大幅減少并且?guī)缀醪辉僭黾?，但是與受害者連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量卻呈現(xiàn)大幅波動(dòng)，有時(shí)可以達(dá)到預(yù)設(shè)上限25個(gè)，有時(shí)又不到10個(gè)，進(jìn)一步分析之后發(fā)現(xiàn)，這些與受害者連接的節(jié)點(diǎn)，極大部分不屬于geth版本，而是諸如parity，Ethereum（J）等其他Ethereum的實(shí)作版本，在實(shí)驗(yàn)的最后11天里，作者統(tǒng)計(jì)了與受害者連結(jié)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量與類(lèi)別，其中屬于geth版本僅有130個(gè)，而非geth版本的則高達(dá)64374個(gè)。

Manipulating Time攻擊能夠弱化受害者節(jié)點(diǎn)，使得受害者幾乎無(wú)視其他節(jié)點(diǎn)，也讓其他節(jié)點(diǎn)幾乎遺忘了受害者節(jié)點(diǎn)，這樣一來(lái)，就能夠以更少的資源消耗來(lái)執(zhí)行Table Poisoning攻擊。

而針對(duì)Manipulating Time攻擊，作者建議應(yīng)該改良防御重放攻擊的方式，也就是每一個(gè)UDP消息不再以時(shí)間戳記（timestamp）進(jìn)行標(biāo)記，而是以隨機(jī)的nonce進(jìn)行標(biāo)記，當(dāng)送出ping或findnode訊息時(shí)附加一個(gè)nonce，而之后送回的pong或neighbor也應(yīng)該附加相對(duì)應(yīng)的nonce才視作合法訊息。

作者自己也坦承，這樣的改良只能保證pong或neighbor不會(huì)重放，卻無(wú)法保證ping或findnode本身重放。

以上便是波士頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究所提出的幾種日蝕攻擊手法，在論文中，作者還有提出一些更深入的分析及實(shí)驗(yàn)，例如，怎么樣去放大攻擊的規(guī)模，怎么樣做出最有效率（最省成本）的攻擊。