解析localethereum背后的安全架构

localethereum简介

localethereum.com

localethereum的官网上是这样介绍自己的：点对点的以太门户，即使用以太坊智能合约和点对点的加密技术促成ether和法币在人与人之间的直接兑换，不需要中间人担保。这和0x和kyber等直接促成虚拟币兑换的去中心化交易所不一样，它主要解决的是去中心的法币与虚拟币兑换这个核心问题，并确保这个过程是保密和安全的。为此它做了很多努力，包括：

点对点的消息加密
消息前向保密
财务前向保密
签名系统

自去年9月上线以来，运营良好，没有出现黑客事件，且体验还可以，流程不算复杂。首先注册一个账号，和普通网站一样，需要用户名和密码以及开启两步验证；挂单者（Maker）挂一个订单，这个单会出现在网站上；其他受价者（Taker）可以在网站上接单并发起交易，localethereum为这笔交易生成一份以太坊智能合约；卖方将ether转到localethereum钱包，然后再从localethereum钱包把想要交易的ether转到智能合约，至此，交易的链上部分完成，接下来等待买家链下法币支付；在这个过程中双方可以通过localethereum的点对点的加密消息进行沟通，比如把银行账号告知对方以便法币转账等等。

总之整个流程下来，交互习惯就跟其他中心化交易所一样，但它却是去中心化的，点对点的。你不必担心黑客侵入盗币或交易所破产，这绝对是一种技术进步，接下来我会为大家一一剖析它的安全机制。因为它不是开源的，所以只能结合一些开放的说明资料以及页面行为来加以分析。

账号密码

localethereum用户需要账号和密码，但是它的密码和我们通常认知的密码不一样，它的密码纯粹是本地的。也就是说服务器端不存储密码的相关信息。在我们创建账号的时候，就有一段提示：

Your web browser is going to generate a private key offline, and then encrypt it using AES256-CBC to a PBKDF2-stretched version of your password. 你的浏览器将会离线生成一个私钥，这个私钥使用AES256-CBC加密，加密秘钥用你的密码经PBKDF2运算后得到。

PBKDF2的作用是“延展”人类的密码，使之更长，更随机，不可逆，不容易被猜测。即使像通常的网站也不直接存储人类的明文密码，否则万一数据库被盗，或者网站监守自盗，那么用户的损失将是巨大的，因为用户能记的密码是有限的，他在很多网站使用的可能是同一个密码，一旦一个地方发生泄露，所有的这些信息将面临极大的暴露风险。Like this, no fuck to say!

无fuck可说

AES256-CBC是对称加密算法，即它可以做加密解密，是一种安全的可逆运算。

创建账号的时候，在Chrome里面也可以看到如下的服务端请求：

POST https://api.localethereum.com/v1/accounts/new

{
  "username": "jon",
  "email": "jon@f...",
  "account_key_identity_public": "01e355ef0f6b45e7ff86...",
  "account_key_encrypted_root": {
    "ciphertext": "47f57c64067abaa...",
    "iv": "cb331d0e0...",
    "passphrase_salt": "e88be51f58...",
    "pbkdf2_iterations": 50906
  }
}

确实没有上传密码，但是account_key_identity_public和account_key_encrypted_root是干么用的，光看字面也看不明白。为了更好理解先来看看localethereum本地的一段js代码：

密码校验

这下大致清楚了，反推一下：

var password = "abc"; //明文密码，记在人脑
var passphrase_salt = "e88be51f58..."; //盐，创建账号的时候随机生成
var pbkdf2_iterations = "50906"; //加盐迭代次数，创建账号的时候生成

//对明文密码进行延展
var key = PBKDF2(password, passphrase_salt, {
  keySize: 256 / 32,
  iterations: pbkdf2_iterations
})

var accountKeyRoot = "0f45e6dae7cc40c..." //秘钥根，创建账号的时候随机生成
var iv = "cb331d0e0..."; //初始向量，创建账号的时候随机生成

//加密的秘钥根
var ciphertext = AES.encrypt(accountKeyRoot, key, {
  iv: iv,
  mode: CBC,
  padding: NoPadding
})

var n = ecsign(sha3(accountKeyRoot, 256), "enc");
//用于对其他私密信息进行加密用的秘钥
var accountKeyEnc = toRpcSig(n.v, n.r, n.s);

//秘钥对
var accountKeyIdentityPair = E(accountKeyRoot);

//公钥
var account_key_identity_public = accountKeyIdentityPair.publicKey;

所以服务端实际上存储的是用户秘钥的根（有时候也称之为种子），不过，这个秘钥的根是经过用户本地密码加密保护过再给服务端的。用户登录的时候，虽然是先输入账号和密码，再输入二次验证码，但实际上，服务端是先校验二次验证码，成功之后再从服务端获取用户的account_key_identity_public和account_key_encrypted_root到本地，在本地用密码解开account_key_encrypted_root获得秘钥的根accountKeyRoot，存储到Local Storage：

{
  "username": "jon",
  "accountKeyRoot": "e1dde6d4f...",
  "sessionToken": "MTUwNTQzMn0.kwHcAkDjelD..."
}

accountKeyRoot就是你的数字身份的DNA，自创建开始就不可变更，你可以修改你的密码，但这仅仅只是改变了存储在服务器端的密文，用新密码解密后还是原来的内容。如果有人直接盗走了accountKeyRoot，他就可以在数字世界代表你。

挂单者秘钥（Maker keys）

每个localethereum用户都会先行创建很多签名的秘钥对，存在服务端，结构如：

{
  "public_key": "371854cb5efc...",
  "signature": "0x7ae22085f5047e0c3d5...",
  "encrypted_private": {
    "ciphertext": "54b8c3c2c168778...",
    "iv": "417a9c6e..."
  }
}

这些秘钥允许人们创建交易、发送消息、用离线的钱包转账和部署智能合约，而且能够保持前向保密（当前秘钥泄露不影响到以前的数据）。

PREKEYS生成函数

翻译过来就是：

生成随机的256位secp256k1秘钥对（MakerKey-private和MakerKey-public）
用账号的私钥accountKeyIdentityPrivate对SHA3(MakerKey-public)的结果进行ECDSA签名（MakerKey-signature）
MakerKey-private用一个随机的IV和accountKeyEnc进行AES-256加密之后，连同MakerKey-public和MakerKey-signature发到服务端保存。

钱包地址

和Maker keys一样，localethereum也会预先生成很多的以太坊地址：

{
  "n": 1,
  "address": "0xfe742544...",
  "signature": "0xe03a28b6ec8a1...",
  "encrypted_private": {
    "ciphertext": "77d8cc2e176c...",
    "iv": "df4193c2..."
  }
}

生成钱包地址

不一样的地方在于每个地址有一个链私钥，它由前一个链私钥经过以下算法得来：

var chainPrivateKey=HmacSHA256(previousChainPrivateKey, [2]);
var privateKey=HmacSHA256(chainPrivateKey, [0,1]);
var address = publicToAddress(privateToPublic(privateKey));

最后将chainPrivateKey加密连同其他相信息存到服务器端。

交易

假设Bob在网站上看到Alice挂的单，想要受价交易，他就向localethereum请求获取Alice的Maker key和签名的钱包地址，localethereum会给他一个Alice全新未使用的MakerKey-public和MakerAddress-address。

当Bob用Alice的公钥验证这两个签名之后，确定key和钱包地址确实是属于Alice的，他就可以向她转账和发送消息。但事情并非就此简单。Bob还需要做三件事：

他也要生成自己的全新的一次性secp256k1秘钥对（TakerKey-private和TakerKey-public）
他从服务端拿一个自己未使用的钱包地址（TakerAddress）
Bob将这些信息捆绑在一起，并用他自己的私钥accountKeyIdentityPrivate对SHA3(MakerKey-public + MakerAddress-address + TakerKey-public + TakerAddress)的结果签名（TradeSignature）

他将TradeSignature, TakerKey-public和TakerAddress发给服务端，当Alice上线后她就可以验证签名。双方开始安全交易。

创建交易的时候可以看到Chrome发起的请求（貌似可以不需要MakerAddress-address）：

POST https://api.localethereum.com/v1/trades/new

{
  "offer_id": "d2d8bcc5-9b1...",
  "signature": "0x69a1b74997...",
  "maker_key_public_key": "28b75263cf15bb9d432...",
  "taker_address": "0xfe725e38b24925a2a7895...",
  "taker_key_public_key": "30e43861d4c616...",
  "taker_key_encrypted_private": {
    "iv": "52bc72e0d...",
    "ciphertext": "48764d5..."
  }
}

一个成功了的交易结构是这样的：

GET https://api.localethereum.com/v1/trades/ef3771d7-51c...

{
  "id": "ef3771d7-51c...",
  "state": "released",
  "maker_account_id": "63abacee-0cc...",
  "taker_account_id": "d9058c2a-23e...",
  "maker_username": "Din",
  "taker_username": "Vager",
  "maker_fee": 0.25,
  "taker_fee": 0.75,
  "maker_account_key_identity_public": "f19bb6af3eed...",
  "taker_account_key_identity_public": "bbac5c7e884eecae5dd...",
  "offer_id": "0d52e362-887...",
  "offer_headline": "",
  "offer_terms_of_trade": "",
  "created_at": "2017-12-14T06:06:57.067Z",
  "wei_amount_for_buyer": "1000000000000000000",
  "wei_amount_for_seller": "1010110000000000000",
  "local_currency_amount": 8898.1,
  "local_currency_code": "CNY",
  "direction": "maker_seller_taker_buyer",
  "maker_address": "0x0a2ffbabdc7f5f0...",
  "maker_address_signature": "0x1d5dc75a401e1209f6fad...",
  "taker_address": "0x3fa8a7bf52ec2a7eb09...",
  "taker_signature": "0xbf90926a5681bc7508e6e6375f...",
  "maker_key": {
    "public_key": "57cf2817a7bcf0880aef18fd1fb...",
    "encrypted_private": null
  },
  "taker_key": {
    "signature": null,
    "public_key": "6eb485558f07c8e0ac3d9934a06e..."
  },
  "reported_by_you": false,
  "contract_escrow": {
    "trade_hash": "fe6fc04f7b06932c4...",
    "contract_address": "0x09678741bd...",
    "seller_can_cancel_after": 0,
    "total_gas_fees_spent_by_relayer": "0",
    "currently_exists": false,
    "events": [{
      "observed_at": "2017-12-14T06:13:36.036Z",
      "block_number": 4729641,
      "transaction_hash": "0x0abdd751a...",
      "event_name": "Created"
    }, {
      "observed_at": "2017-12-14T06:18:14.786Z",
      "block_number": 4729661,
      "transaction_hash": "0xd3a800117e83...",
      "event_name": "Released"
    }],
    "relays": [{
      "created_at": "2017-12-14T06:17:22.889Z",
      "sent_at": "2017-12-14T06:17:39.103Z",
      "confirmed_at": "2017-12-14T06:18:12.796Z",
      "confirmed_at_block": 4729661,
      "action_byte": "05",
      "transaction_hash": "0xd3a800117..."
    }]
  },
  "sent_transactions": [{
    "trade_hash": "fe6fc04f7b06932...",
    "name": "createEscrow",
    "transaction_hash": "0x0abdd751...",
    "sent_at": "2017-12-14T06:12:58.309Z"
  }],
  "maker_address_encrypted_private": {
    "ciphertext": "db93a6462e0a...",
    "iv": "0a52107d14afd..."
  },
  "marked_as_paid_at": null,
  "marked_for_released_at": "2017-12-14T06:17:22.889Z",
  "marked_as_cancelled_at": null,
  "cancelled_at": null,
  "cancelled_by_account_id": null,
  "disputed_at": null,
  "disputed_by_account_id": null,
  "left_feedback": "good",
  "payment_method": {
    "id": 7,
    "name": "Alipay",
    "description_for_buyer": "You’ll send the seller money online via Alipay.",
    "description_for_seller": "The buyer will send you money online via Alipay.",
    "payment_window_in_minutes": 120
  },
  "delete_party_key_at": "2017-12-21T06:18:14.786Z",
  "hash": 2554751258,
  "last_message_id": "bd2c3e2a-bdc..."
}

消息

点对点加密消息用的是Elliptic curve Diffie–Hellman (ECDH)异步秘钥交换协议，这个协议允许双方用一方的私钥和另一方的公钥派生一个共享秘钥。ECDH的美妙之处在于：

SharedSecret-root = ECDH(MakerKey-public, TakerKey-private) = ECDH(TakerKey-public, MakerKey-private)

接着用SharedSecret-root通过HKDF算法生成更加安全的秘钥（SharedSecret-enc和SharedSecret-mac）。发送消息的时候，Alice和Bob用SharedSecret-enc和随机值IV通过AES256-CBC加密消息，且每条消息都用各自的accountKeyIdentityPrivate签名。为了做进一步认证和完整性检查，还会用SharedSecret-mac对每个加密消息进行HMAC-SHA256哈希校验。

一旦发生争议，一方只要提交SharedSecret-root让网站做仲裁即可。

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