Sicherheit in Cross-Chain-Brücken verbessern

Blockchain-Technologie ist mega angesagt geworden und hat dazu geführt, dass viele Plattformen und digitale Währungen entstanden sind. Bekannte Beispiele sind Ethereum, Binance Coin, Bitcoin und Non-Fungible Tokens (NFTs). Das Wachstum dieser verschiedenen Plattformen hat ein kompliziertes System zur Folge, das effektive Kommunikation zwischen unterschiedlichen Blockchains erfordert, wie zum Beispiel das Umwandeln von Ether in Bitcoin.

Eine Cross-Chain-Brücke ist wie eine Verbindung, die es ermöglicht, Informationen und digitale Vermögenswerte zwischen verschiedenen Blockchains zu bewegen. Zum Beispiel ermöglicht die Polygon-Netzwerkbrücke den Nutzern, Tokens ganz einfach zwischen Polygon und Ethereum zu übertragen, ohne sich auf unzuverlässige Dritte verlassen zu müssen.

Trotz einer bedeutenden Marktpräsenz mit Milliarden von Dollar in Transaktionen stehen Cross-Chain-Brücken vor Sicherheitsproblemen. Studien zeigen, dass diese Brücken in den letzten zwei Jahren mehr als 29 Sicherheitsprobleme hatten. Eine Hauptquelle für diese Probleme sind Schwächen in ihren Smart Contracts. Ein bekanntes Beispiel ist der PolyNetwork-Vorfall, bei dem ein Sicherheitsfehler zu einem Verlust von 600 Millionen USD führte.

Schwachstellen, die speziell für Cross-Chain-Brücke-Smart-Contracts sind, werden als Cross-Chain Vulnerabilities (CCVs) bezeichnet. Diese Schwächen sind hauptsächlich auf die besondere Art der Vermögensaustausch zwischen verschiedenen Blockchains zurückzuführen. Zum Beispiel können einige Cross-Chain-Brücken unzureichende Sicherheitsprüfungen haben, was zu unbefugtem Zugriff führen kann.

Obwohl die Ernsthaftigkeit dieser Schwachstellen anerkannt wird, gab es nur begrenzte Forschung, die darauf abzielt, diese Probleme zu analysieren oder zu identifizieren, was es schwierig macht, Cross-Chain-Brücken effektiv zu sichern. Frühere Studien haben Cross-Chain-Angriffe untersucht und einige Möglichkeiten vorgeschlagen, diese Systeme zu schützen, aber viele dieser Vorschläge sind nicht direkt anwendbar oder durchsetzbar.

#Unsere Studie

Um diese Forschungslücke zu schliessen, haben wir ein neues statisches Analyse-Framework namens SmartAxe entwickelt, um CCVs in Smart Contracts, die mit Cross-Chain-Brücken verbunden sind, zu identifizieren. SmartAxe ist das erste Tool, das speziell für diesen Zweck auf Bytecode-Ebene entwickelt wurde, was bedeutet, dass es den zugrunde liegenden Code analysieren kann, bevor die Verträge bereitgestellt werden. Damit wollen wir die Sicherheit von Cross-Chain-Brückenanwendungen verbessern und das Risiko finanzieller Verluste verringern.

Die Hauptursachen für CCVs fallen in zwei Kategorien: 1) unvollständige Zugriffskontrolle und 2) Inkonsistenz bei der Verarbeitung von Cross-Chain-Transaktionen. Diese Schwachstellen durch statische Analyse zu identifizieren, bringt eigene Herausforderungen mit sich.

#Herausforderungen bei der Erkennung

Die erste Herausforderung besteht darin, die Zugriffskontrollbeschränkungen genau zu extrahieren, die Sicherheitsprüfungen umfassen sollten, um sensible Ressourcen zu schützen. Diese Sicherheitsprüfungen können bei verschiedenen Brückenverträgen stark variieren, was es schwierig macht, zu erkennen, was notwendig ist. Ausserdem kann es kompliziert sein, diese Sicherheitsprüfungen mit den relevanten Ressourcen zu verknüpfen.

Die zweite Herausforderung besteht darin, den Kontext der Cross-Chain-Kommunikation zu analysieren, um semantische Inkonsistenzen zu erkennen. Dazu muss man den Fluss von Informationen und Daten zwischen den verschiedenen Blockchains betrachten. Frühere Analysetools haben oft wichtige Details übersehen.

Um diese Herausforderungen zu überwinden, integriert SmartAxe zwei Hauptdesignmerkmale:

1. Es modelliert die verschiedenen Arten, wie Zugriffskontrolle in verschiedenen Cross-Chain-Brücken implementiert ist, und standardisiert sie in eine einzige Form.
2. Es stimmt die Kontroll- und Datenflüsse zwischen der Quell- und Ziel-Chain ab und ermöglicht es, Diagramme zu erstellen, die diese Flüsse darstellen.

Durch diese Massnahmen kann SmartAxe effektiv verwundbare Funktionen identifizieren, die unvollständige Zugriffskontrollen oder semantische Inkonsistenzen enthalten.

#Bewertung von SmartAxe

Um zu testen, wie gut SmartAxe funktioniert, haben wir einen Datensatz von 16 Cross-Chain-Brückenanwendungen erstellt, der 203 Smart Contracts umfasst, die als verwundbar bekannt sind. Unsere Experimente zeigten, dass SmartAxe mit einer Präzision von 84,95% und einem Recall von 89,77% erfolgreich Schwachstellen identifizierte.

Mit Hilfe von SmartAxe führten wir eine grossangelegte Bewertung von 1.703 Smart Contracts aus 129 realen Cross-Chain-Brückenanwendungen durch. Diese Analyse ergab 232 neue Schwachstellen, die in früheren Untersuchungen nicht identifiziert worden waren, und betraf Vermögenswerte im Gesamtwert von 1.885.250 USD.

#Verständnis von Cross-Chain-Brücken

Eine Cross-Chain-Brücke dient als Verbindung zum Austausch digitaler Vermögenswerte über verschiedene Blockchain-Plattformen. Typischerweise besteht eine Cross-Chain-Brücke aus drei Komponenten:

1. Quell-Chain: Die Blockchain, wo das Asset entstanden ist.
2. Cross-Chain-Relayer: Ein Vermittler, der die Kommunikation zwischen den beiden Chains erleichtert.
3. Ziel-Chain: Die Blockchain, wo das Asset schliesslich übertragen wird.

Wenn ein Nutzer ein Token gegen ein anderes tauschen möchte, initiiert er die Transaktion über die Cross-Chain-Brücke. Dieser Prozess umfasst in der Regel drei Schritte:

1. Asset-Einzahlung auf der Quell-Chain: Der Nutzer zahlt sein Asset ein, das in der Quell-Chain gesperrt wird, und ein Bestätigungsereignis wird ausgelöst.
2. Cross-Chain-Kommunikation: Der Off-Chain-Relayer überprüft die Einzahlung und kommuniziert die notwendigen Informationen an die Ziel-Chain.
3. Asset-Abhebung auf der Ziel-Chain: Sobald die Einzahlung bestätigt ist, kann der Nutzer das entsprechende Asset von der Ziel-Chain abheben.

#Arten von Schwachstellen

Cross-Chain-Schwachstellen (CCVs) können die Sicherheit dieser Smart Contracts erheblich beeinträchtigen. Einige häufige Typen sind:

1. Unvollständigkeit der Zugriffskontrolle: Dies tritt auf, wenn wichtige Sicherheitsprüfungen fehlen oder nicht ordnungsgemäss implementiert sind. Infolgedessen können unbefugte Nutzer auf kritische Funktionen zugreifen.
2. Semantische Inkonsistenz zwischen den Brücken: In diesem Fall stimmen die Logik und die Bedeutung der Aktionen zwischen den Quell- und Ziel-Chain nicht richtig überein, was zu potenziellen Fehlern oder Ausnutzungen führen kann.

#Frühere Forschung und Einschränkungen

Trotz der klaren Risiken, die von CCVs ausgehen, war die Forschung zur Identifizierung dieser Schwachstellen begrenzt. Während es verschiedene Sicherheitstools gibt, die bei der Analyse von Smart Contracts helfen, konzentrieren sie sich normalerweise auf einzelne Blockchainsysteme und berücksichtigen keine Cross-Chain-Interaktionen.

Tools, die für die statische Analyse entwickelt wurden, können potenzielle Schwachstellen effektiv finden, aber oft fehlen ihnen die spezifischen Modelle, die benötigt werden, um Cross-Chain-Brückenverträge zu analysieren. Daher adressieren viele zuvor vorgeschlagene Methoden nicht die einzigartigen Herausforderungen, die Cross-Chain-Transaktionen mit sich bringen.

Die relevanteste frühere Arbeit konzentrierte sich darauf, Angriffe in Echtzeit zu erkennen, anstatt den zugrunde liegenden Vertragscode im Vorfeld zu analysieren, um solche Angriffe zu verhindern. Unser Ansatz mit SmartAxe schliesst diese Lücke, indem er ein spezielles Tool zur Identifizierung von Schwachstellen bereitstellt, bevor sie ausgenutzt werden können.

#Wie SmartAxe funktioniert

SmartAxe soll eine gründliche statische Analyse von Smart Contracts über verschiedene Blockchains hinweg durchführen. Hier ist eine vereinfachte Übersicht über seine Funktionsweise:

1. Grundlegende Kontrollflussanalyse: SmartAxe erstellt ein detailliertes Bild darüber, wie die Smart Contracts arbeiten, und identifiziert den Kontrollfluss von einer Funktion zur anderen.
2. Überprüfung der Vollständigkeit der Zugriffskontrolle: Es untersucht die extrahierten Zugriffskontrollbeschränkungen und vergleicht sie mit etablierten Modellen, um mögliche Zugriffskontrollauslassungen zu finden.
3. Erkennung semantischer Inkonsistenzen zwischen den Brücken: SmartAxe prüft die Konsistenz bei der Verarbeitung von Transaktionen über beide Chains hinweg, um sicherzustellen, dass die Logik intakt bleibt.
4. Entdeckung von Schwachstellenpfaden: Schliesslich analysiert es, wie Schwachstellen ausgenutzt werden können, und identifiziert die Wege, die zu unbefugtem Zugriff oder Fehlern führen könnten.

#Genauigkeit und Performance

SmartAxe hat in seinen Bewertungen eine starke Leistung gezeigt. Es konnte eine erhebliche Anzahl von Schwachstellen mit hoher Genauigkeit identifizieren, was seine Nützlichkeit bei der Verbesserung der Sicherheit von Cross-Chain-Brücken unter Beweis stellt.

#Praktische Auswirkungen

Die Erkenntnisse aus unserer Forschung haben wichtige Auswirkungen für Entwickler und Nutzer von Cross-Chain-Brücken. Mit dem Anstieg von dezentralen Finanzanwendungen (DeFi) und verschiedenen Blockchain-Anwendungen ist es entscheidend, die Sicherheit von Cross-Chain-Interaktionen zu gewährleisten.

#Fallstudien

Um die Wirksamkeit von SmartAxe zu verdeutlichen, schauen wir uns zwei Fallstudien an:

1. Fallstudie 1: Ein Vertrag auf einer beliebten Cross-Chain-Brücke hatte unvollständige Zugriffskontrolle. Die Autorisierungs- und Abhebefunktionen validierten nicht korrekt, welche Art von Tokens verwendet wurde, was potenzielle Schlupflöcher schuf, die ausgenutzt werden könnten.

2. Fallstudie 2: Ein weiterer Vertrag zeigte eine Übersehung bei der Validierung von Benutzereingaben für Liquiditätseinzahlungen. Ohne ordnungsgemässe Prüfungen konnte ein Angreifer falsche Informationen einreichen, um falsche Einzahlungen zu beanspruchen.

Beide Fälle verdeutlichen, wie wichtig es ist, strenge Sicherheitsmassnahmen in Smart Contracts umzusetzen und wie Tools wie SmartAxe helfen können, diese Schwachstellen zu identifizieren.

#Fazit

Der Aufstieg der Blockchain-Technologie und die Komplexität von Cross-Chain-Transaktionen bringen eine Vielzahl von Sicherheitsherausforderungen mit sich. Cross-Chain-Brücken spielen eine entscheidende Rolle bei der Ermöglichung von Transaktionen, sind jedoch auch anfällig für Schwachstellen, die ernsthafte finanzielle Folgen haben können.

Unsere Forschung hebt die Notwendigkeit robuster Tools wie SmartAxe hervor, um diese Schwachstellen zu identifizieren und anzugehen, bevor sie ausgenutzt werden können. Durch einen systematischen Ansatz zur Analyse von Smart Contracts bietet SmartAxe eine wertvolle Lösung zur Verbesserung der Sicherheit von Cross-Chain-Brücken und zum Schutz der Vermögenswerte der Nutzer.

Da das Blockchain-Ökosystem weiterhin wächst und sich weiterentwickelt, sind laufende Forschung und Entwicklung unerlässlich, um sicherzustellen, dass diese Systeme sicher und vertrauenswürdig sind. Indem wir in Tools und Frameworks investieren, die Sicherheit und Transparenz fördern, können wir dazu beitragen, den Weg für eine sicherere und zuverlässigere Zukunft in der Blockchain-Technologie zu ebnen.