深入解析两个ZK漏洞的技术细节与影响

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本文探讨了零知识证明(ZKP)系统中的两类关键漏洞:代码漏洞和设计漏洞。通过zkWasm案例研究,详细分析了”Load8数据注入攻击”和”伪造返回攻击”两种典型漏洞的形成机制及修复方案。文章指出,代码漏洞相对容易发现和修复,而设计漏洞则更为隐蔽,需要严格的形式化验证才能发现。最后提出了保护ZK系统的最佳实践建议:1)同时检查代码和设计;2)结合审计与形式化验证;3)确保电路和智能合约的双重安全。特别强调形式化验证对发现设计漏洞的关键作用,以及ZK系统安全验证相比传统系统更高的价值。

在之前的文章中,我们深入探讨了零知识证明的高级形式化验证方法,特别是如何验证单条ZK指令的技术细节。通过逐条验证zkWasm指令,我们能够全面确保整个zkWasm电路的技术安全性和正确性。本文将转换视角,重点分析在审计和验证过程中发现的具体漏洞案例,并分享从中获得的宝贵经验。如需了解零知识证明(ZKP)区块链形式化验证的总体讨论,可以参考我们此前发布的《零知识证明区块链的先进形式化验证》一文。

在深入探讨ZK漏洞之前,有必要先了解CertiK进行ZK形式化验证的方法论。面对像ZK虚拟机(zkVM)这样复杂的系统,形式化验证的第一步是明确验证对象及其特性。这需要对ZK系统的整体设计、代码实现和测试环境进行全面审查。虽然这个过程与常规审计有所重叠,但其独特之处在于需要在此基础上确立具体的验证目标和特性。在CertiK,我们将这种方法称为”面向验证的审计”。对于zkWasm项目,我们采取了审计与形式化验证并行的策略,确保全方位的安全保障。

深入理解ZK漏洞

零知识证明系统的核心价值在于,它允许将离线或私密执行的计算(如区块链交易)生成简短的加密证明,并由验证器进行确认,而无需透露具体计算内容。在这个机制中,ZK漏洞可能导致严重后果——攻击者可以伪造证明来验证虚假交易,而验证器却无法识别。

在zkVM的证明生成过程中,程序执行会产生详细的执行记录,这些记录随后被转换为数字表格(称为”算术化”过程)。这些数字必须满足一系列严格的约束条件(即”电路”),包括表单元格间的关联方程、固定常数、表间查找约束,以及相邻表行间的多项式方程(即”门”)。链上验证通过确认这些约束的满足来保证表格的有效性,同时确保具体数值的隐私性。

深入解析两个ZK漏洞的技术细节与影响
zkWasm算术化表示例

每一个约束条件的准确性都至关重要。任何约束中的缺陷,无论是强度不足还是完全缺失,都可能为攻击者打开后门,使他们能够提交看似合法实则虚假的执行证明。与传统的虚拟机相比,zkVM交易的不透明性进一步放大了这些漏洞的风险。在非ZK链上,交易计算细节公开可见;而zkVM则将这些细节隐藏在链下,这使得识别攻击行为变得异常困难,有时甚至无法判断攻击是否已经发生。

实现zkVM指令规则的ZK电路极其复杂。以zkWasm为例,其电路实现涉及超过6,000行Rust代码和数百个约束条件。这种复杂性往往意味着系统中可能存在多个潜在漏洞点。在我们的审计和形式化验证过程中,确实发现了多个此类漏洞。接下来,我们将重点分析两个具有代表性的案例,探讨它们的差异和启示。

代码层面的漏洞:Load8数据注入攻击

第一个漏洞出现在zkWasm的Load8指令实现中。zkWasm通过一组LoadN指令来处理堆内存读取操作,其中N表示要加载的数据大小。例如,Load64指令负责从内存地址读取64位数据,而Load8指令则应读取8位数据(1个字节)并用0填充剩余位以形成64位值。由于zkWasm内部将内存表示为64位字节数组,因此需要从内存数组中”选取”特定部分,这一过程通过四个中间变量(u16_cells)共同构成完整的64位加载值。

这些LoadN指令的约束条件定义如下:

深入解析两个ZK漏洞的技术细节与影响

该约束分为Load32、Load16和Load8三种情况。对于Load64指令,由于内存单元正好是64位,因此不需要额外约束。在Load32情况下,代码确保内存单元高4字节(32位)必须为零:

深入解析两个ZK漏洞的技术细节与影响

Load16情况下,内存单元高6字节(48位)必须为零:

深入解析两个ZK漏洞的技术细节与影响

然而,在Load8的实现中出现了问题。理论上应该要求内存单元高7字节(56位)为零,但实际代码中仅限制了高9至16位:

深入解析两个ZK漏洞的技术细节与影响

这意味着其余高48位可以包含任意值,却仍能伪装成”从内存读取”的数据。攻击者可以利用这个漏洞篡改合法执行序列的ZK证明,使Load8指令加载非预期的字节,导致数据损坏。通过精心构造周边代码和数据,甚至可能触发虚假交易,窃取数据和资产。这种伪造的交易能够通过zkWasm检查器的验证,被区块链误认为是合法交易。

修复这个漏洞的方案相对简单直接:

深入解析两个ZK漏洞的技术细节与影响

这类漏洞属于”代码漏洞”,源于具体的代码实现问题,通常可以通过局部代码修改来修复。正如案例所示,这类漏洞相对容易被识别和确认。

设计层面的漏洞:伪造返回攻击

第二个漏洞涉及zkWasm的调用和返回机制。作为虚拟机的基本指令,调用和返回允许执行上下文(如函数)相互调用并在完成后恢复执行。每次调用都应有对应的返回,zkWasm通过”调用帧”来追踪这些动态数据。由于指令按顺序执行,所有调用帧可以根据时间顺序排列。以下是zkWasm中调用/返回的示例:

深入解析两个ZK漏洞的技术细节与影响

在这个示例中,buy_token()函数通过调用add_token()来实现代币账户余额的增加。由于ZK证明器本身不支持调用帧数据结构,需要使用执行表(E-Table)和跳转表(J-Table)来记录完整的调用历史:

深入解析两个ZK漏洞的技术细节与影响

图中展示了buy_token()调用add_token()并返回的完整过程。执行表中每行代表一个执行步骤,包含当前调用帧编号、函数名、指令位置等信息;跳转表中每行代表一个调用帧,记录调用者信息等关键数据。两表都包含jops列,用于追踪调用/返回指令的数量。

表面上看,每次调用对应一次返回,每帧应该只有一次调用和一次返回。但问题在于:虽然一次调用加一次返回会使jops计数为2,但两次调用或两次返回同样会产生这个结果。虽然两次调用由于会生成新帧编号而难以实现,但两次返回却可能被攻击者利用。

攻击者可以在合法执行序列中注入伪造的返回指令:

深入解析两个ZK漏洞的技术细节与影响

如图所示,攻击者在原有调用和返回之间插入了两次伪造返回,并在跳转表中添加了新的伪造帧行。由于每行的jops计数仍为2,约束条件得到满足,zkWasm验证器会接受这个伪造的执行证明。结果导致代币账户余额增加了3次而非预期的1次,使攻击者能够以支付1个代币的代价获取3个代币。

这个漏洞的特殊之处在于,没有任何一行代码存在错误——代码完全按照设计要求实现。问题出在设计本身,因此解决方案也需要从设计层面着手,例如分别追踪调用和返回次数,确保每帧恰好各有一次。

两类漏洞的对比分析

“Load8数据注入”和”伪造返回”这两个漏洞虽然都能导致相似的安全后果,但它们的性质和发现过程却截然不同。前者是在审计过程中发现的代码级漏洞,虽然需要审查大量代码,但相对容易被识别;后者则是在形式化验证阶段发现的设计级漏洞,需要对整个约束系统进行全面分析才能确认。

这个对比凸显了ZK系统安全评估的复杂性——既需要关注代码实现细节,也需要审视整体设计方案。这也解释了为什么对ZK系统而言,审计和形式化验证都是不可或缺的安全措施。

ZK系统安全最佳实践

基于对zkVM及其他ZK/非ZK链的审计和验证经验,我们总结出以下保护ZK系统的关键建议:

全面审查代码与设计

ZK系统中,代码和设计层面的漏洞都可能造成严重后果。由于ZK系统的不透明性,攻击行为往往难以追溯和分析,这使得预防性安全措施显得尤为重要。在系统上线前彻底消除各类漏洞,对ZK系统而言具有极高的安全价值。

结合审计与形式化验证

我们的案例表明,不同类型的漏洞可能需要不同的发现方法。虽然形式化验证能够发现许多深层问题,但审计在识别明显漏洞方面效率更高。理想情况下,两项工作应该协同进行,使审计师和验证工程师能够优势互补,提高漏洞发现效率。

确保电路与智能合约的双重安全

ZK应用通常包含电路和智能合约两部分。虽然我们对zkWasm的验证主要关注电路部分,但智能合约的安全同样重要。特别是直接处理ZK证明的合约和运行在zkVM上的复杂合约,都应该接受严格的安全审查和验证。

通过以下图示,我们可以更直观地理解形式化验证对ZK系统各组件的影响:

深入解析两个ZK漏洞的技术细节与影响

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