防止重放攻击底层代码开发

什么是重放攻击

重放攻击(Replay Attacks)又称重播攻击、回放攻击，是指攻击者发送一个目的主机已接收过的包，来达到欺骗系统的目的，主要用于身份认证过程，破坏认证的正确性。重放攻击可以由发起者，也可以由拦截并重发该数据的敌方进行。攻击者利用网络监听或者其他方式盗取认证凭据，之后再把它重新发给认证服务器。重放攻击在任何网络通过程中都可能发生，是计算机世界黑客常用的攻击方式之一。

区块链重放攻击防止

本项目主要模拟区块链系统在硬分叉以后，如何防止原来区块链上的交易同步到新的区块链上。通过，改变签名的算法，达到防止重放攻击的目的。通过清华大学icenter老师们的悉心教导，通过将近2个月的学习，在比特币源码的基础上完成了防重放攻击1.0的开发。

license

本项目按照 MIT license 协议. 欢迎大家多多交流具体请参考 https://opensource.org/licenses/MIT.

环境搭建

本次开发主要是在比特币源码的基础上，进行项目的开发测试，其中在比特币regtest网络上，搭建了测试用区块链。环境的具体搭建过程如下：

1.比特币源码编译准备命令如下:

./autogen.sh
./configure --with-incompatible-bdb

2.比特币源码编译命令如下:

make

3.比特币源码安装命令如下:

make install

4.配置私有链网络环境:

rpcuser=btc1
rpcpassword=xxl12345
addnode=60.205.162.88
addnode=47.94.165.9
whitelist=60.205.162.88
whitelist=47.94.165.9

5.区块网络链连接正常，命令如下:

root@iZ2zegchn2k04hhikcn4yjZ:~# netstat -pant
Active Internet connections (servers and established)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       PID/Program name
cp        0      0 0.0.0.0:18444           0.0.0.0:*               LISTEN      17569/bitcoind
tcp        0      0 127.0.0.1:18332         0.0.0.0:*               LISTEN      17569/bitcoind
tcp        0      0 172.17.246.239:58241    60.205.162.88:18444     ESTABLISHED 17569/bitcoind
tcp6       0      0 :::18444                :::*                    LISTEN      17569/bitcoind

比特币源码安装参考 http://blog.csdn.net/rion_chen/article/details/51104727.

代码开发

本次开发主要是在比特币源码的基础上，进行了二次开发，用于模拟在比特币网络硬分叉后的重放攻击的防止。环境的具体搭建过程如下：

1.签名算法的修改，代码片段如下

void negate(){
  for(int i=0;i<WIDTH;i++){
    data[i]=~data[i]
  }
}

2.硬分叉的模拟，代码片段如下

static const unsigned int MAX_BLOCK_BASE_SIZE = 2000;

测试流程

节点准备一个比特币旧节点(node1) 一个2k区块节点（为了方便测试，没有做2m的节点）(node2) 一个能够防重放攻击的2k区块节点(node3)

测试过程 node1 node2 node3先都安装比特币官方代码编译的程序任意节点发起交易，生成区块，保证区块被确认(后继生成6个以上区块) 然后node2更新成2k区块的节点，node3更新成能防重放攻击的2k区块节点

node1发起多笔交易生成区块（保证区块大小超过2k）,此区块测试结果不能在node2和node3接受，由此区块产生了分叉。下一步node1再发起交易，node2生成区块，测试结果，交易被包含到区块中，证明node2可被攻击此区块被node2发布到网络，node3不接受此区块，证明node3可以阻止重放攻击。

测试文档

docker技术的使用

为了解决多节点的测试问题，采用当前流行的docke技术。著名的Hyperledger的fabric项目(由IBM主导的)，就用了容器技术进行网络隔离。本次开发虚拟化了6个节点(2个bitcoin的源代码节点，2个硬分叉节点和2个防攻击节点)

1.所有镜像都上传到了docker hub 上，大家可以随时下载，下载命令如下:

docker pull xuxinlai2002/btcnew
docker pull xuxinlai2002/btchardfork 
docker pull xuxinlai2002/btcorg

2.可以通过以下命令查看所有镜像:

root@iZ2ze4wxzv9g5i5r69vu06Z:~/mydocker# docker images
REPOSITORY                 TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE
xuxinlai2002/btcorg        latest              36947581fdb1        44 hours ago        2.73 GB
xuxinlai2002/btcnew        latest              47701325c0b2        2 days ago          5.872 GB
xuxinlai2002/btchardfork   latest              06a5c890dda1        2 days ago          7.86 GB

3.可以通过以下命令查看所有容器:

root@iZ2ze4wxzv9g5i5r69vu06Z:~/mydocker# docker ps
CONTAINER ID        IMAGE                      COMMAND                  CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
da5c88d83f3e        xuxinlai2002/btcnew        "sh -c 'bitcoind -reg"   10 minutes ago      Up 10 minutes       18444/tcp           btcnewNode2
162954e0feac        xuxinlai2002/btcnew        "sh -c 'bitcoind -reg"   10 minutes ago      Up 10 minutes       18444/tcp           btcnewNode1
2907e68ad502        xuxinlai2002/btchardfork   "sh -c 'bitcoind -reg"   10 minutes ago      Up 10 minutes       18444/tcp           btchardforkNode2
ab2ba80bff53        xuxinlai2002/btchardfork   "sh -c 'bitcoind -reg"   10 minutes ago      Up 10 minutes       18444/tcp           btchardforkNode1
84955fb307e8        xuxinlai2002/btcorg        "sh -c 'bitcoind -reg"   10 minutes ago      Up 10 minutes       18444/tcp           btcorgNode2
ed2d1223c275        xuxinlai2002/btcorg        "sh -c 'bitcoind -reg"   10 minutes ago      Up 10 minutes       18444/tcp           btcorgNode1

4.在工作目录，可以通过以下命令清空上次的执行结果:

root@iZ2ze4wxzv9g5i5r69vu06Z:~/mydocker# cleanAll
da5c88d83f3e
162954e0feac
2907e68ad502
ab2ba80bff53
84955fb307e8
ed2d1223c275

5.在工作目录，可以通过以下命令自动配置docker环境:

root@iZ2ze4wxzv9g5i5r69vu06Z:~/mydocker# setAll
9581b304488f2d2b042d5f39b038e37a8666625c46eae02e0019ba7689d9fa01
7c476428e7807267ab169f32c4e57f73bf39e6506aa71453954c2afe00c30857
b1323bd91291ca7b8cf7057b32c72029af17f04bf0036c3bc5868ba096fdb443
1d35b593c37281677d3723f51eb08e6b72b7cba2eb304223a0f822c8578e8a39
2124409a8df4a52eddd1c7acc2a38251e2cd0701d7ee4e4eb725a8902feed141
e74fa0d9398c7d7732dc1726d45445737ac7b0d6f2cb2010b775c65846a90c74

6.在工作目录，可以通过以下命令重置环境(docker重启，数据归零):

root@iZ2ze4wxzv9g5i5r69vu06Z:~/mydocker# resetAll
/root/mydocker
e74fa0d9398c
2124409a8df4
1d35b593c372
b1323bd91291
7c476428e780
9581b304488f
e2cbc3d893942329ccdeb514eb97d116838a297443681b5c5f3cb11730c8181d
d95f254c75686e086c6d45827438c346e5166434704e6e2f51dbd4c40462ba21
58df1c5e832aac2463f3d6a28e81865677eac6986fe9c91b8812893c3c84bf67
01ae29ac4832b87fed5d865e38c57704708f98fa170eac5b93ba4ac0a0379d65
076938e94aca1109dc690639f3775b74a6def6a6edda092b4d666ccfcbaf7e5f
272e228f0a94e474595e1f789d118624cfb1c86cb35ad70e1c215719acc4ba42

7.以下目录是所有docker执行，所需要的自动化脚本:

root@iZ2ze4wxzv9g5i5r69vu06Z:~/mydocker/tools# ll
total 24
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Jul 10 21:42 ./
drwxr-xr-x 10 root root 4096 Jul 10 21:04 ../
-rwxrwxrwx  1 root root  328 Jul 10 16:43 cleanAll*
-rwxrwxrwx  1 root root   31 Jul 10 15:34 resetAll*
-rwxrwxrwx  1 root root  294 Jul 10 16:37 setAll*
-rwxrwxrwx  1 root root  705 Jul  9 23:28 startNodes*

自动化测试脚本

分布式系统测试是一项比较繁琐的工作，为了在有限的时间内完成复制的测试，开发了自动化测试脚本，并且在docker的宿主机环境里，测试通过。这样可以提供测试效率，为以后的系统的持续集成打下基础

1.自动化测试脚本示例

imgs=("btcorg" "btchardfork" "btcnew")
ctns=("1" "2")
declare ctnNum=0

#test instruction
logInfo="transaction : send teansaction from $1 to $2 amount $3 "
echo $logInfo | tee tests/log/$4.log

address=`docker exec -it $2 bitcoin-cli -regtest getnewaddress`
echo "address: $address" |tee -a tests/log/$4.log

txid=`docker exec -it $1 bitcoin-cli -regtest sendtoaddress $address $3`
echo "txid: $txid"|tee -a tests/log/$4.log

for img in "${imgs[@]}"
do
  for ctn in "${ctns[@]}"
  do
        logInfo="nodes: ${img}Node$ctn, transaction info"
        echo $logInfo | tee -a tests/log/$4.log

        docker exec -it ${img}Node$ctn bitcoin-cli -regtest gettransaction $txid > temp.con
        cat -v temp.con |tr -d "^M" |tee -a tests/log/$4.log
  done
done

#docker exec -it $1 bitcoin-cli -regtest generate $2 > temp.con
#cat -v temp.con |tr -d "^M" |tee -a tests/generate.log

2.自动化测试脚本一览

root@iZ2ze4wxzv9g5i5r69vu06Z:~/mydocker/tests# ll
total 120
-rwxr-xr-x  1 root root  659 Jul 10 22:58 confirmtx*
-rwxr-xr-x  1 root root  667 Jul 10 23:29 confirmtx.save*
-rwxr-xr-x  1 root root  336 Jul 10 21:40 generate*
-rwxr-xr-x  1 root root  213 Jul 10 23:29 generate.save*
-rwxr-xr-x  1 root root  556 Jul 10 20:24 getblockchaininfo*
-rwxrwxrwx  1 root root  775 Jul 10 21:43 getinfo*
-rwxrwxrwx  1 root root  658 Jul 10 16:27 test11*
-rwxrwxrwx  1 root root  663 Jul 10 17:08 test12*
-rwxrwxrwx  1 root root  648 Jul 10 17:07 test13*
-rwxr-xr-x  1 root root  898 Jul 10 22:28 transaction*
-rwxr-xr-x  1 root root  256 Jul 10 23:29 transaction.save*
-rwxr-xr-x  1 root root  354 Jul 10 23:29 transaction.save.1*
-rwxr-xr-x  1 root root  559 Jul 10 23:29 transaction.save.2*
-rwxr-xr-x  1 root root  864 Jul 10 23:29 transaction.save.3*

3.测试结果一览

root@iZ2ze4wxzv9g5i5r69vu06Z:~/mydocker/tests/log# ll
-rw-r--r-- 1 root root 4941 Jul 11 00:41 confirmtx11.log
-rw-r--r-- 1 root root 7221 Jul 11 00:18 generate01.log
-rw-r--r-- 1 root root 3199 Jul 11 00:11 getinfo01.log
-rw-r--r-- 1 root root 3196 Jul 10 23:04 test11.log
-rw-r--r-- 1 root root 7221 Jul 10 23:04 test12.log
-rw-r--r-- 1 root root 3209 Jul 10 23:05 test13.log
-rw-r--r-- 1 root root 2449 Jul 10 23:07 test21.log
-rw-r--r-- 1 root root 4941 Jul 10 23:09 test25.log
-rw-r--r-- 1 root root 3250 Jul 10 23:10 test28.log
-rw-r--r-- 1 root root 1729 Jul 10 23:15 test31.log
-rw-r--r-- 1 root root 4941 Jul 10 23:16 test33.log
-rw-r--r-- 1 root root 3291 Jul 10 23:22 test37.log
-rw-r--r-- 1 root root 2449 Jul 11 00:19 transaction01.log

docker测试脚本参考的连接 docker测试脚本 docker测试结果 docker测试日志

开源社区计划

本次开发由于时间比较短，另外团队成员的能力和精力有限，有很多不足之处。

比如，代码规范有待提高(注释最好用英文)，尚未完全模拟比特币真实环境，没有进行大规模的压力测试等待。总之还有很多值得改进的地方。

但是，个人或者几个人的力量总是有限的，希望通过代码开源的形式，结合开源社区的力量。能够不断完善本项目，如有任何问题欢迎交流。邮箱地址:xuxinlai2002@gmail.com

最后再次感谢清华大学icener 老师们的教导和支持！

btcgroup2/bitcoin