Poly Network攻击关键步骤深度解析

前言
北京时间2021年8月10日，跨链桥项目Poly Network遭遇攻击，损失超过6亿美金。虽然攻击者在后续偿还被盗数字货币，但是这仍然是区块链历史上涉及金额最大的一次攻击事件。由于整个攻击过程涉及到不同的区块链平台，并且存在合约以及Relayer之间的复杂交互，对于攻击的完整过程和漏洞的根本原因，现有分析报告并未能梳理清楚。
整个攻击分为两个主要阶段，包括修改keeper签名和最终提币。对于第二阶段，由于keeper签名已经被修改，因此攻击者可以直接构建恶意提币交易，具体可以参见我们之前的报告。然而对于修改keeper签名的交易是如何最终在目标链执行的，目前并没有详细的文章阐明。而这一步是攻击的最核心步骤。
本报告从修改keeper签名交易入手(Ontology链上交易0xf771ba610625d5a37b67d30bf2f8829703540c86ad76542802567caaffff280c)，分析了背后的原理和漏洞的本质。我们发现以下几个原因是Keeper能被修改的原因：
    源链上(Ontology)的relayer没有对上链的交易做语义校验，因此包含修改keeper恶意交易可以被打包到poly chain上
    目标链上(以太坊)上的relayer虽然对交易做了校验，但是攻击者可以直接调用以太坊上的EthCrossChainManager合约最终调用EthCrossChainData合约完成签名修改
    攻击者精心够着了能导致hash冲突的函数签名，从而调用putCurEpochConPubKeyBytes完成对签名的修改 [2]
涉及交易和合约
整个过程中的交互流程如下：
Ontology交易 -> Ontology Relayer -> Poly Chain -> Ethereum Relayer -> Ethereum
以太坊
0x838bf9e95cb12dd76a54c9f9d2e3082eaf928270: EthCrossChainManager
0xcf2afe102057ba5c16f899271045a0a37fcb10f2: EthCrossChainData
0x250e76987d838a75310c34bf422ea9f1ac4cc906: LockProxy
0xb1f70464bd95b774c6ce60fc706eb5f9e35cb5f06e6cfe7c17dcda46ffd59581: 修改keeper的交易
Ontology
0xf771ba610625d5a37b67d30bf2f8829703540c86ad76542802567caaffff280c: 修改keeper的交易
Poly
0x1a72a0cf65e4c08bb8aab2c20da0085d7aee3dc69369651e2e08eb798497cc80: 修改keeper的交易
攻击流程
整个攻击大致可以分为三个步骤。第一个步骤是在 Ontology 链生成一条恶意交易(0xf771ba610625d5a37b67d30bf2f8829703540c86ad76542802567caaffff280c)，第二个步骤是修改以太坊EthCrossChainData合约中的keeper签名，第三个步骤构造恶意交易发起最终攻击和提币。
步骤一
攻击者首先在Ontology发起了一笔跨链交易（0xf771ba610625d5a37b67d30bf2f8829703540c86ad76542802567caaffff280c），里面包含了一个攻击payload:

可以看出交易包含了精心设计的函数名（图中以6631开头的数字，转换后即 f1121318093），目的在于通过造成哈希冲突（hash collision）的方式调用putCurEpochConPubKeyBytes函数（属于以太坊上的EthCrossChainData合约）。关于哈希函数冲突的细节在网络上已有很多讨论，可以参考[2].
随后，该笔交易被Ontology Relayer 接收，注意这里并没有很严格的校验。该交易会通过Relayer在Poly Chain成功上链（0x1a72a0cf65e4c08bb8aab2c20da0085d7aee3dc69369651e2e08eb798497cc80）。Ethereum Relayer会感知到新区块的生成。
然而，这笔交易被Ethereum Relayer拒绝了。原因在于Ethereum Relayer对目标合约地址有校验，只允许LockProxy合约作为目标地址，而攻击者传入的是EthCrossChainData地址。
因此，攻击者攻击之路在此中断。但如前所述，包含恶意payload的攻击交易已经在Poly Chain成功上链，可被进一步利用。
步骤二
攻击者手动发起交易，调用EthCrossChainManager合约中的verifyHeaderAndExecuteTx函数，将之前一步保存在Ploy Chain区块中的攻击交易数据作为输入。由于该区块是poly chain上的合法区块，因此可以通过verifyHeaderAndExecuteTx中对于签名和merkle proof的校验。然后执行EthCrossChainData合约中的putCurEpochConPubKeyBytes函数，将原本的4个keeper修改为自己指定的地址（0xA87fB85A93Ca072Cd4e5F0D4f178Bc831Df8a00B）。
步骤三
在keeper被修改之后，攻击者直接调用目标链上的verifyHeaderAndExecuteTx函数（而不需要再通过poly chain -- 因为keeper已经被修改，攻击者可以任意签署在目标链看来合理的poly chain上的块）,最终调用至Unlock函数（属于LockProxy合约），大量地转移资金，给项目方带来了严重的损失。具体的攻击细节可参考我们之前的报告[1]。
Relayer代码分析
在本攻击过程中，Ontology方和以太坊方均有Relayer负责将来自Ontology的交易在poly Chain上链，以及将poly chain上的交易放到以太坊。这两个Relayer是由Go语言实现的服务进程。
然而我们发现，这两个Relayer都缺乏有效的校验。这导致
    攻击者可以在Ontology构造一条恶意的跨链交易，并且成功打包到poly chain上。
    虽然在以太坊的Relayer具有校验功能，但是攻击者可以直接同以太坊上的链上合约进行交互，直接执行恶意的函数。
Ontology Relayer完全信任来自Ontology上的跨链交易
Poly Network 的 ont_relayer(https://github.com/polynetwork/ont-relayer) 负责监听 Ontology 链上的跨链交易并将其打包入传入Poly Chain.
注：
    在Ontology Relayer中，Side 指 Ontology Chain; Alliance 指 Poly Chain.
    CrossChainContractAddress 是 Ontology 链上原生编号为 09 的智能合约.

上图中，Ontology Relayer启动时开启三个 Goroutines 分别负责监听 Ontology Chain 和 Poly Chain 的跨链交易，以及对 Poly Chain 上的跨链交易做状态检查。在本报告中，我们只关注69行的监听Side的代码逻辑。

在上图中，Ontology Relayer 调用 Ontology 链提供的 RPC 接口（第 215 行，调用SDK函数 GetSmartContractEventByBlock) 获取区块中触发的智能合约事件;然后在第 228 和 232 行表明 Ontology Relayer 只监听 Ontology Chain 上由 CrossChainContractAddress 触发的 makeFromOntProof 事件;

上图中，在处理 Ontology Chain 上的跨链交易时，Ontology Relayer 总共做了五次校验，分别是两次向 Ontology Chain 发送的 RPC 请求校验(check 1 和 check 4), 以及三次参数是否为空的校验(check2, check3, 和check5)。这五次校验都属于常规校验，并未对来自 Ontology Chain 上的跨链交易做语义上的校验; 第 167 和 171 行取出了在目标链上执行所需要的交易参数信息（proof, auditPath）;第 183 行向 Poly Chain 发送交易;

Ontology Relayer 在构造了 Poly Chain 上的交易后便向 Poly Chain 发起 RPC 请求发送交易（第 164 行，函数调用 SendTransaction);

这个名为 ProcessToAliianceCheckAndRetry 的 Goroutine 也仅仅是做了重发失败交易的工作，仍然未对来自 Ontology Chain 上的跨链交易做任何语义上的校验。
至此，我们可以看出 ont-relayer 监听所有来自 Ontology Chain 由 CrossChainContractAddress 触发的 makeFromOntProof 事件，并未对其做任何语义上的校验，便向 Poly Chain 转发了交易。而任何人向 Ontology 发送的任何跨链交易都会触发 CrossChainContractAddress 的 makeFromOntProof 事件，所以 Ontology Relayer 会将所有来自 Ontology 上的跨链交易都转发到 Poly chain 上。
Ethereum Relayer中的无效校验
Ethereum Relayer 负责监听 Poly Chain 并将目标链为 Ethereum 的跨链交易转发到 Ethereum 上。

Ethereum Relayer 启动一个 Goroutine 来监控 Poly Chain;

Ethereum Relayer监听所有 Poly Chain 上目标链为 Ethereum 的跨链交易 （第 275 至 278 行）; Ethereum Relayer会校验跨链交易的目标合约是否为 config.TargetContracts中指定的合约之一，如果不是则不会发送这笔跨链交易到 Ethereum 上（第 315 行）。
虽然 Ethereum Relayer 对 Poly Chain 上的跨链交易做了部分校验，比如限制了目标合约，但是与 Poly Chain 不同，任何人都可以向 Ethereum 上的EthCrossChainManager合约发送交易。换句话说，Ethereum Relayer 在这里做的校验没有实际的意义，只要包含恶意payload的跨链交易被成功打包进了 Poly Chain（虽然没有被relay转发到以太坊链上）, 那么任何人都可以直接使用已经打包好的区块数据将payload发送到以太坊EthCrossChainManager合约并执行（这个过程中，可以通过merkle proof的校验，因为是已经正常上链的poly chain区块数据）。
攻击者正是利用了上述两个缺陷，完成了攻击流程中的步骤一和步骤二。

写在最后
通过对整个攻击流程的完整梳理和详尽分析，我们认为Relayer的不完整校验是攻击得以发生的根本原因。其它（诸如利用hash冲突等）方面则更多地属于比较精彩的攻击技巧。总而言之，跨链的校验和鉴权是跨链系统安全的关键所在，值得社区付出更多的努力。（BlockSec Team）

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