比特币任意盗币漏洞分析(CVE-2010-5141)教学文档

一、背景知识

1. UTXO模型

1.1 账户模型与UTXO模型的区别

• 账户模型：数据结构为"账号=>余额"，转账操作简单（A-200，B+200）
  • 代表系统：银行系统、以太坊等
• UTXO模型：比特币特有模型，无直接"账号=>余额"结构
  • 代表系统：比特币

1.2 UTXO转账机制

以A向B转账200为例：

1. 找到A账号下200余额的来源交易x
2. 创建新交易y：
   • 输入：交易x
   • 输出：向B转账200的交易y
3. 标记状态：
   • x交易标记为已花费
   • y交易标记为未花费
4. 金额规则：
   • 输入输出金额必须相等
   • 如需部分转账，剩余金额需转回自己其他地址

2. 比特币脚本引擎

• 特性：非图灵完备，提供有限灵活性
• 功能：实现多重签名、资金冻结等简单功能
• 执行原理：
  • 基于堆栈执行（先进先出）
  • 定义了一系列操作码(OP_CODE)
• 标准转账流程：
  1. 填入执行脚本(Script)
  2. 签名(sig)和公钥(pubKey)压入堆栈
  3. OP_CHECKSIG验证签名
  4. 验证通过压入true，否则压入false

二、漏洞分析(CVE-2010-5141)

1. 漏洞核心

• 位置：比特币0.3.3版本的script.cpp文件
• 关键函数：VerifySignature
• 影响：攻击者可盗取任意比特币
• 实际影响：未被利用，修复迅速

2. 漏洞代码分析

2.1 VerifySignature函数

// 伪代码表示
bool VerifySignature(CTx txFrom, CTx txTo, ...) {
    // 关键调用
    if (!EvalScript(txin.scriptSig + OP_CODESEPARATOR + txout.scriptPubKey, ...)) {
        return false;
    }
    return true;
}

• txFrom：上一笔交易
• txTo：当前处理交易
• EvalScript参数组成：
  1. txin.scriptSig（可控，含签名信息）
  2. OP_CODESEPARATOR（分隔符）
  3. txout.scriptPubKey（不可控，含公钥和OP_CHECKSIG）

2.2 EvalScript函数

• 返回true条件：
  1. 堆栈不为空
  2. 栈顶元素强转为bool后为true（非0）

2.3 OP_CHECKSIG操作码

// 伪代码表示
case OP_CHECKSIG:
    bool fSuccess = CheckSig(...);
    if (fSuccess)
        stack.push(vchTrue); // 非0值
    else
        stack.push(vchFalse); // 0值

2.4 漏洞利用关键 - OP_PUSHDATA4

• 定义值：78
• 处理逻辑：
  1. 遇到OP_PUSHDATA4时，指针右移78+4=82位
  2. 其中78位数据被压入栈
• 攻击方式：
  • 在txin.scriptSig中注入OP_PUSHDATA4操作码
  • 导致后续的公钥信息和OP_CHECKSIG指令被"吃掉"作为参数入栈
  • 最终判断：
    • 堆栈不为空
    • 栈顶元素非0
  • 绕过验证，返回true

三、漏洞修复方案

修复版本

比特币0.3.8

修复方法

// 修复后伪代码
bool VerifySignature(...) {
    // 将scriptSig和scriptPubkey分开执行
    if (!EvalScript(txin.scriptSig, ...) || 
        !EvalScript(txout.scriptPubKey, ...)) {
        return false;
    }
    return true;
}

• 核心改进：分离执行scriptSig和scriptPubkey
• 效果：scriptSig中的恶意操作码无法影响scriptPubkey的执行

四、教学总结

1. 漏洞要点

1. 根本原因：脚本拼接执行导致注入攻击
2. 关键操作码：OP_PUSHDATA4的异常处理
3. 利用条件：控制输入脚本(txin.scriptSig)

2. 对公链开发的启示

1. 脚本/虚拟机安全：需严格隔离用户输入与系统脚本
2. 操作码设计：需考虑边界情况和异常处理
3. 验证机制：关键验证步骤应有独立完整的执行环境

3. 研究难点

1. 历史资料稀少
2. 早期版本编译环境搭建困难
3. 私链测试环境缺乏

五、参考资源

1. 比特币StackExchange关于该漏洞的讨论
2. 比特币0.3.3和0.3.8源码对比