Tornado.Cash交易隱私性觀察報告
01
前 言
Tornado.Cash 作為以太坊網絡上最火的去中心化隱私解決方案，打破了存款人和取款人地址之間的鏈上鏈接，做到了交易機密性，保護了用戶隱私。
越來越多有隱（洗）私（錢）需求的用戶开始使用 Tornado.Cash，那 Tornado.Cash 真正的隱私性到底如何，能做到百分百的安全嗎？
知道創宇區塊鏈安全實驗室 將對 Tornado.Cash 進行多維度分析，探索 Tornado.Cash 真正的隱私可靠性。
02
Tornado.Cash 工作原理
在分析 Tornado.Cash 之前，我們必須知道 Tornado.Cash 的工作原理。
Tornado.Cash使用智能合約（匿名池），接收來自一個地址的代幣存款，並允許他們從不同的地址提款，並且通過零知識證明阻斷了存款地址和提款地址之間的聯系，讓隱私性得到了保護。
其中，匿名池的大小直接決定了 Tornado.Cash 隱私可靠性的高低，想想如果只有一筆存款進入匿名池，那不管從哪個地址提款，肯定和存款地址是同一個人。
感興趣的讀者可以閱讀官方文檔：how-does-tornado.cash-work。
03
前期准備
Tornado.Cash 目前支持 ETH 及 ERC20 代幣（DAI，cDAI，USDC，USDT，WBTC）存、提款交易，我們選取了其中交易量最大的 ETH 進行隱私性分析，提取了 2021-11-04 日之前，所有 Tornado.Cash 合約的交易記錄，數據如下表所示：
可以看到，在啓用代理合約後，大量交易都是通過代理進行，通過匿名池交易量佔比圖（下表）可知，1 ETH 匿名池（33%）和 10 ETH 匿名池（30%）是使用最多的匿名池。
04
交易分析
> 交易分類
對所有交易進行存款、提款歸類後，統計了每個地址存/提款總額（單位 ETH） 、次數、最大存/提款金額、最小存/提款金額統計。得到了 22714 個存款地址，31737 個提款地址，其中存/提款總額 Top 10 數據如下：
存錢總額 Top 10：
提款地址總額 Top 10：
可以看到，存款地址和提款地址並不是一一對應，也無法知道存款地址和取款地址之間的關系。
> 挖礦地址過濾
Tornado.Cash 推出了匿名挖礦激勵措施（參見：anonymity-mining），用於增加匿名池內交易的數量，提高 Tornado.Cash 整體的隱私可靠性。
所以我們第一步便是過濾掉匿名池內的挖礦交易，可以大大降低匿名池內交易數量。
通過分析觀察，發現挖礦地址有如下特徵：
-
挖礦地址會到 Tornado.Cash 礦池合約地址
0x746aebc06d2ae31b71ac51429a19d54e797878e9 提取TRON代幣；
挖礦地址沒有隱私保護需求，提款的時候一般直接使用自己錢包地址支付礦工費；
挖礦地址一般是常用且交易比較多的老地址；
採用該方法獲取到 1051 個滿足條件的礦池地址。排除挖礦地址後，存、提款地址數量變化如下：
排除挖礦地址後存款總額 Top 10：
排除挖礦地址後取款地址總額 Top 10：
> 相同地址過濾
存款地址和提款地址相同的交易，沒有交易隱私性，所有也可以過濾掉（此部分大概率為挖礦或小白用戶），過濾後數據變化如下：
存款地址總額Top 10：
提款地址總額Top 10：
> 過濾中繼地址
為了最大化提款地址的隱私性安全性，大部分用戶提款時，會選擇使用中繼器來支付礦工手續費，所以一次提款操作，會有兩筆交易。
其中一筆小額是支付給中繼器的手續費，另外一筆才是真正的提款交易，如下圖
我們使用過濾條件：max > 0.8 | (max <= 0.1 & max >= 0.08) 對中繼器交易進行過濾，過濾後數據變化如下：
過濾中繼地址後的提款地址次數Top 10：
> 同一用戶關聯地址關系
接下來分析torando交易池裏面的地址是否存在關聯關系，在分析之前我們首先排除了礦池地址和中繼器地址之後再進行分析。
分析辦法採用直接交易對手分析方式，假設A是充幣地址，B是提幣地址，A和B之間沒有直接關系，但C地址是A的直接交易對手，C地址同時也是B的直接交易對手，那我們可以判定A和B是有關聯的，直接交易對手的數據直接從鏈探查詢獲取。
按地址類型區分可以把關系分為：充幣地址與充幣地址，提幣地址與提幣地址以及充幣地址與提幣地址三類關系，這三類關聯關系都適用於不同的場景。
充幣地址與充幣地址之間的關系
由於tornado只能存0.1ETH、1ETH、10ETH、100ETH，所以在實際轉账過程中，可能會出現資金分配，礦工費分配，或者存入之後地址剩余ETH匯集等情況。
提幣地址與提幣地址之間的關系
在需要提款時，提款地址之間可能也會存在匯集的可能，比如匯集到交易所。
充幣地址和提幣地址之間的關系
充幣地址和提幣地址之間是否任然存在關聯，這是關鍵所在，如果是一個非常熟悉隱私交易的黑客，他可能會想盡一切辦法來切斷關鍵地址之間的聯系，但實際操作過程中因為都是人在操作，難免會有疏忽或者遺漏，可能會留下蛛絲馬跡。
基於以上三個場景和關聯類型的猜想，我們先對100ETH的交易池進行分析。根據直接交易對手數據直接生成相應的關聯圖（圖中地址後面的d代表充值地址，w代表提幣地址）
第一種情況
充幣地址與充幣地址存在關聯關系，以0x0022d8bda338fd7e5c7248f32090252fd6dc11ef 為例：
該地址與多個充幣地址間出現過交易對手重疊的情況，鏈上分析這些地址的關系，可以判斷出該地址在對 tornado 先後充值 100ETH 和 10ETH 之後
剩余的 ETH 匯集到了 0x6bafcd65f9ad3a99509d8d7d987acfa393db7c39地址中，並由該地址將剩余的 0.1ETH 也充值到 tornado 交易池中。
第二種情況
提幣地址與提幣地址之間存在關聯關系，以0x9c67d8383f1eeb6e2ff2b0d296aa6a51ea2858a1 為例：
該地址與多個提幣地址之間產生關聯關系，這些地址都從tornado 100eth的交易池中發起過提幣行為，每個地址都提取了1000ETH
並在提幣之後都匯集到了 0x120cffb605c8127442c2f8515eb25749cce52947 地址中
繼續分析後續路徑可以看到
0x120cffb605c8127442c2f8515eb25749cce52947
又將ETH進行了多次周轉最終到了
0x32e9dc9968fab4c4528165cd37b613dd5d229650
等地址中，並最終經過 Swap 將 ETH 換成其他代幣轉到了幣安等交易所中。
上面兩種情況，隱私交易都只在充幣端或者提幣端之後產生了關聯，雖然能夠追溯到一些信息，但充幣和提幣之間的聯系還是斷开的，那么我們探索第三種情況。
正所謂人無完人，再縝密的計劃也可能留下线索，如果 tornado 的使用者在使用時沒有完全隔離地址，則通過交易對手的關系是有可能關聯上的，以 0x167ae15b74cd20482e80f7e425b4ae6d2cc631c4 為例。
在上面關聯關系中，五個地址都通過直接交易對手 0x4278314c1a50da6014e580cbff34fc383b335049 進行關聯，從而在一定程度上可以將這五個地址的出入金關系建立起來，如果進一步挖掘金額和後續資金流向關系，則可以嘗試進一步溯源。
在整個試驗中，100ETH 池子有 4132個充幣地址，有703個提幣地址，清洗出來有直接交易對手重疊的關聯地址有2859個，大約佔整個地址59%左右，說明大部分人在使用tornado隱私協議的時候，因為使用上的疏忽，並沒有做到100%的隱私。
挖出關聯地址也意味着對tornado的溯源成為一種可能（本文取樣只取了直接交易對手，如果取更深層次的交易對手准確率會更高），在獲取到大量的關聯地址之後可以根據交易所地址的kyc或者ens推特等渠道進一步挖掘真實信息。
05
基於案例驗證結果數據
我們從鏈探的黑客事件庫中挖掘歷史上發生過的一些安全事件，並篩選出事件中使用了tornado的相關地址按照上述理論進行分析。
對KuCoin被盜事件進行分析
直接交易對手關聯地址分析
黑客通過8個地址將ETH存入到Tornado 100ETH的交易池中，這8個充幣地址通過直接交易對手 0x23156749a0acefc8f07b9954d181d50084c1519e 和 0x82e6b31b0fe94925b9cd1473d05894c86f277398 進行了關聯。
而從上面的關聯圖可以看到由於黑客疏忽，充幣地址 0x34a17418cec67b82d08cf77a987941f99dc87c6b 通過直接交易對手地址 0x82e6b31b0fe94925b9cd1473d05894c86f277398 和提幣地址 0xc609b3940be560c8c00e593bea47fb6ecef6b2c6 進行了關聯。
0xc609b3940be560c8c00e593bea47fb6ecef6b2c6 只提幣 2900ETH（佔 8 個充幣地址存入ETH總量的一小部分），
可以看到黑客因為 0x82e6b31b0fe94925b9cd1473d05894c86f277398 中沒有足夠的礦工費，
先後從 0xc609b3940be560c8c00e593bea47fb6ecef6b2c6 和 0x23156749a0acefc8f07b9954d181d50084c1519e 中轉出過礦工費到 0xc609b3940be560c8c00e593bea47fb6ecef6b2c6，
而正好充幣地址的礦工費也從這兩個地址轉出過，從而讓提幣地址和充幣地址建立了關聯。
繼續順藤摸瓜可以發現，提幣出來的 ETH 又轉到了其他地址，在整個鏈路上繼續深入，可以發現ETH被分散發到了很多地址，並有大量的 ETH 轉入了幣安的充幣地址 0x28c6c06298d514db089934071355e5743bf21d60
至此，整個鏈路追蹤在幣安斷开，如果能獲取到幣安kyc信息便可具體定位人員。
交易所 Liquid 被盜
發現四個充幣地址向 100ETH 的池子充過幣，並且通過直接交易對手 0x5578840aae68682a9779623fa9e8714802b59946 關聯。
FinNexus DeFi 項目被盜
發現兩個充幣地址關聯，0x5271b379f3e1954e20791142d734596a3de28efd 和 0x5ebc7d1ff1687a75f76c3edfabcde89d1c09cd5f 都向 100eth 的池充過 ETH，並通過直接對手 0xfe381bc045b85e0acd93e85ecfe65ecb0fec2a44 關聯。
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