区块链应该拒绝硬件吗？

原文：Should We Kick Hardware out of Blockchain?
原文链接：https://medium.com/phala-network/should-we-kick-hardware-out-of-blockchain-5d300596a811
作者：尹航，Phala 联合创始人&首席开发
 

或许你会觉得硬件与区块链风马牛不相及。毕竟，从比特币到以太坊，区块链都是软件为王，基于硬件的解决方案往往有中心化的嫌疑。其实，在隐私保护领域，引入硬件是常规操作。硬件是实现实用化的基础，软硬结合的方案可以实现一加一大于二的效果。通过巧妙组合，Phala 可以在让其去信任化的同时，让解决方案在可拓展性和保密性之间达到绝佳的平衡。

#1 基于TEE的区块链保密

Phala Network^[1] 运用了保密智能合约来实现区块链保密。与传统合约不同的是，它运行在CPU内一个特殊的硬件区域（可信执行环境^[2]）内。这个区域与其他部件高度隔离；未经授权，包括恶意攻击在内的任何尝试都无法读取TEE中的数据，也无法干预其中程序的执行。

Phala将运行在TEE中的程序称为 pRuntime。pRuntime 在 TEE 内维持矿工和 Gatekeeper 节点运行，并负责处理 TEE 远程证明、链上注册、密钥管理和保密合同执行。

然而，如何让用户相信智能合约运行在 pRuntime 里，而不只是一个伪造的 TEE 环境？这个时候，我们需要了解什么是“远程认证”（Remote Attestation^[3]）。

“An application that hosts an enclave can also ask the enclave to produce a report and then pass this report to a platform service to produce a type of credential that reflects enclave and platform state. This credential is known as a quote. This quote can then be passed to entities off of the platform, and verified…”

“特殊安全区（enclave）里的应用程序也可以要求安全区生成报告，然后将该报告传递到平台服务以生成反映安全区和平台状态的凭证。这样的反馈凭证被称为“引报”（quote）。之后，Quote 就可以作为信任源向外界验证安全区内应用的可信性……”

远程认证是确保 TEE 系统处于安全和可信状态的关键。来自英特尔的 Quate 可以证明这段代码（以哈希值确定）和需要用到的某些数据都确确实实运行在最新版本的 SGX 安全区内。

#2 Secret Provisioning

远程认证是保密智能合约的灵魂。但如果我们无法在 TEE 和第三方之间建立端到端加密的通信，应用范围就会受到限制。所以，英特尔 SGX 还运用了 Secret Provisioning^[4] 协议来优雅地解决这个问题。

借助 Secret Provisioning 协议，我们可以建立从用户到 pRuntime 的信任链：

1. 区块链上公示了合法pRuntime代码的哈希；
2. pRuntime运行远程证明协议，获取远程认证报告，报告中含有：被证明代码的哈希值（pRuntime本身）；身份认证密钥对的公钥（有时效性）
3. 远程验证报告在链上提交，并在链上进行验证；
4. 区块链比较远程报告返回的哈希值（旨在证明：参与方确实是TEE中运行的合法pRuntime）
5. 身份认证公钥完成链上注册（以后只有目前正在运行的pRuntime可以使用此密钥对）

注册完成后，但凡是由这个身份签名的消息，都一定是由此 pRuntime 生成的。用户可以使用已注册的身份公钥进一步和 pRuntime 建立类似 TLS 的连接。

需要与 TEE 进行通信时，用户可以从区块链获取已注册的 pRuntime 的公钥，并用 Substrate 账户和公钥进行ECDH迪菲赫尔曼协议^[5]密钥协商，并获得用于和 pRuntime 进行通信的密钥。

信任链建立后，该身份密钥将唯一地表示 pRuntime 的身份。理论上，只要 TEE 没有硬件漏洞（在后文我们会继续讨论这个问题），则一次成功的远程认证就可以确保所有与 pRuntime 往来的通信处于安全和可信的状态。

#3 链上升级

链上升级可以极大地降低硬件升级硬分叉带来的风险，所以非常重要。Substrate 天生支持 Runtime 链上升级，在治理^[6]模块即可完成。同理， TEE 里的 Runtime 也是可以升级的。

升级 pRuntime 时，需要将新的哈希提交到区块链上。之后便可由社区通过类似于 Substrate 的链上治理流程来审查代码、讨论并投票赞成升级。

链上一旦有升级，Phala 的守门人（Gatekeeper）^[7]和矿工都必须第一时间升级 pRuntime。这个过程对矿工来说会相对容易一些，因为他们不用 24 小时在线，只用暂停挖矿，升级，然后继续挖矿即可。守门人由于肩负可用性重任，需尽可能在线，因此他们要么运行另一个新版本的 TEE 客户端等待下一次选举期间的自然切换，要么对状态数据进行紧急加密转储，然后将其恢复到新的pRuntime。

虽然后者有状态数据丢失或暴露的风险，但在紧急情况下也不失为一种选择。SGX 有一个“密封至安全区（Seal to Enclave）^[8]”功能，可以生成只能由同一安全区解码的密钥。这个密钥可以确保数据不被任何第三方查看或迁移。为了降低硬件安全漏洞被利用的可能性，Gatekeeper 中的密钥是通过 Shamir 密钥共享方案分发的。即使 sealing 崩坏，如果没有网络中的多方合谋，主机也无法获取密钥。

#4 攻与守

Phala 的威胁模型首先假设 TEE 厂商是部分可信的。原因有二：一，TEE 厂商在制造芯片的时候并不知道这些芯片会被用在什么地方；二，即便遭受“零日漏洞攻击（Zero-day Attack）”，其他所有运行在芯片上的程序都会有风险，而不单单是 TEE 承受风险。

虽然秉持上述假设，不可否认的是，硬件漏洞攻击仍然时有发生。好在，有以下几种方法可以解决或处理硬件风险问题。

首先，硬件漏洞是可以修复的。一个常见的误区是，只有软件漏洞可以修复，而硬件漏洞不能修复。事实并非如此，我们可以通过微码^[9]来修复硬件漏洞。英特尔为SGX设计了一种特殊的架构，大多数漏洞都可以被及时修复。比如，最近新出现的一种名为 SGAxe^[10] 的攻击就已经通过微码升级和密钥组轮换被修复。密钥经过转置和撤回后，所有非最新版 SGX 设备的请求都将被远程认证驳回。

其次，随机性是一柄利器。有人会问，零日漏洞攻击怎么应对？——矿工拥有硬件访问权限，就可能会利用零日漏洞攻击盗取数据，有作恶的可能。针对这种情况，我们可以活用“随机性”，让区块链把保密智能合约在一个时间段随机分配给不同的矿工，这样，每个时间段的矿工都不同，攻击者必须在不同时间段持续控制大多数矿工的 TEE 设备才能成功，作恶成本会非常高。

最后，保密合约可以通过副本保证执行的正确性。即使在极端情况下，安全区完全被攻陷、机密数据完全暴露在攻击者面前、TEE 内程序可以被任意改写，合约的“正确性”（correctness）仍然可以得到保证。在 Phala 的设计中，保密合约可以有一个或多个副本并行运行。副本不会影响合约的执行，因为所有输入都来自区块链。并行状态下，会有多个 TEE 同时尝试向链上提交状态数据。此时就会有一个简单的链上投票过程，状态数据的“最终确认”（finalize）将遵循少数服从多数的原则。

副本的设计让这个过程变成了类似 Polkadot Validator^[11] 选举的过程。要想攻击“正确性”，攻击者必须控制绝大多数 TEE 矿工。——这还是在完全被攻破的极端情况下。

#5 结论

过去，区块链仅限于软件范畴。发展至今，完全公开性已成为其大范围落地的桎梏。而有了可信硬件和精心设计的协议支持，Phala将证明和构建出一个可信、可保密、可大范围落地的区块链世界。

关于Phala

Phala Network是波卡上的隐私计算平行链，基于类pow的经济激励模式，Phala释放无数CPU中隐私算力并运用于波卡平行链，进而服务于波卡上的Defi、数据服务等其他应用。基于Phala的应用pLibra和Web3 Analytics已经获得web3基金会grant。2020年3月，Phala成为首批加入Parity Substrate Builders计划的项目之一。

Phala社区日历

• 5月15日-8月15日 KSM抵押空投
  
• 7月5日-6日 作为圆桌嘉宾和展商出席杭州“拥抱产业新浪潮——2020杭州区块链国际周”
  
• 很快 PoC-2 测试网活动&游戏活动

Reference

[1]

Phala Network: http://phala.network/

[2]

可信执行环境: https://baike.baidu.com/item/Tee/14438088?fr=aladdin

[3]

Remote Attestation: https://seclab.stanford.edu/pcl/cs259/projects/cs259_final_lavina_jayesh/CS259_report_lavina_jayesh.pdf

[4]

Secret Provisioning: https://software.intel.com/en-us/node/702990

[5]

ECDH迪菲赫尔曼协议: https://baike.baidu.com/item/%E8%BF%AA%E8%8F%B2-%E8%B5%AB%E5%B0%94%E6%9B%BC%E5%AF%86%E9%92%A5%E4%BA%A4%E6%8D%A2/23227051?fr=aladdin

[6]

治理: https://wiki.polkadot.network/docs/en/maintain-guides-how-to-upgrade#docsNav

[7]

守门人（Gatekeeper）: https://phala.network/zh/

[8]

密封至安全区（Seal to Enclave）: https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/documentation/sgx-developer-guide/top/sealing/software-sealing-policies/seal-to-the-current-enclave-enclave-measurement.html

[9]

微码: https://baike.baidu.com/item/%E5%BE%AE%E7%A0%81/10708310

[10]

SGAxe: https://cacheoutattack.com/files/SGAxe.pdf

[11]

Polkadot Validator: https://wiki.polkadot.network/docs/en/maintain-validator#docsNav

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