对Tornado.Cash进行多维度分析，探索其真正的隐私可靠性。
前言
Tornado.Cash 作为以太坊网络上最火的去中心化隐私解决方案，打破了存款人和取款人地址之间的链上链接，做到了交易机密性，保护了用户隐私。
越来越多有隐（洗）私（钱）需求的用户开始使用 Tornado.Cash，那 Tornado.Cash 真正的隐私性到底如何，能做到百分百的安全吗？
知道创宇区块链安全实验室 将对 Tornado.Cash 进行多维度分析，探索 Tornado.Cash 真正的隐私可靠性。
Tornado.Cash 工作原理
在分析 Tornado.Cash 之前，我们必须知道 Tornado.Cash 的工作原理。
Tornado.Cash使用智能合约（匿名池），接收来自一个地址的代币存款，并允许他们从不同的地址提款，并且通过零知识证明阻断了存款地址和提款地址之间的联系，让隐私性得到了保护。
其中，匿名池的大小直接决定了 Tornado.Cash 隐私可靠性的高低，想想如果只有一笔存款进入匿名池，那不管从哪个地址提款，肯定和存款地址是同一个人。
感兴趣的读者可以阅读官方文档：how-does-tornado.cash-work。
前期准备
Tornado.Cash 目前支持 ETH 及 ERC20 代币（DAI，cDAI，USDC，USDT，WBTC）存、提款交易，我们选取了其中交易量最大的 ETH 进行隐私性分析，提取了 2021-11-04 日之前，所有 Tornado.Cash 合约的交易记录，数据如下表所示：
可以看到，在启用代理合约后，大量交易都是通过代理进行，通过匿名池交易量占比图（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。
交易分析
交易分类
对所有交易进行存款、提款归类后，统计了每个地址存/提款总额（单位 ETH） 、次数、最大存/提款金额、最小存/提款金额统计。得到了 22714 个存款地址，31737 个提款地址，其中存/提款总额 Top 10 数据如下：
存钱总额 Top 10
提款地址总额 Top 10
可以看到，存款地址和提款地址并不是一一对应，也无法知道存款地址和取款地址之间的关系。
挖矿地址过滤
Tornado.Cash 推出了匿名挖矿激励措施（参见：anonymity-mining），用于增加匿名池内交易的数量，提高 Tornado.Cash 整体的隐私可靠性。
所以我们第一步便是过滤掉匿名池内的挖矿交易，可以大大降低匿名池内交易数量。
通过分析观察，发现挖矿地址有如下特征：
挖矿地址会到 Tornado.Cash 矿池合约地址 0x746aebc06d2ae31b71ac51429a19d54e797878e9 提取TRON代币；
挖矿地址没有隐私保护需求，提款的时候一般直接使用自己钱包地址支付矿工费；
挖矿地址一般是常用且交易比较多的老地址；
采用该方法获取到 1051 个满足条件的矿池地址。排除挖矿地址后，存、提款地址数量变化如下：
排除挖矿地址后存款总额 Top 10
排除挖矿地址后取款地址总额 Top 10
相同地址过滤
存款地址和提款地址相同的交易，没有交易隐私性，所有也可以过滤掉（此部分大概率为挖矿或小白用户），过滤后数据变化如下：
存款地址总额Top 10
提款地址总额Top 10
过滤中继地址
为了最大化提款地址的隐私性安全性，大部分用户提款时，会选择使用中继器来支付矿工手续费，所以一次提款操作，会有两笔交易。
其中一笔小额是支付给中继器的手续费，另外一笔才是真正的提款交易，如下图
我们使用过滤条件：max > 0.8 | (max <= 0.1 & max >= 0.08) 对中继器交易进行过滤，过滤后数据变化如下：
过滤中继地址后的提款地址次数Top 10：
同一用户关联地址关系
接下来分析torando交易池里面的地址是否存在关联关系，在分析之前我们首先排除了矿池地址和中继器地址之后再进行分析。
分析办法采用直接交易对手分析方式，假设A是充币地址，B是提币地址，A和B之间没有直接关系，但C地址是A的直接交易对手，C地址同时也是B的直接交易对手，那我们可以判定A和B是有关联的，直接交易对手的数据直接从链探查询获取。
按地址类型区分可以把关系分为：充币地址与充币地址，提币地址与提币地址以及充币地址与提币地址三类关系，这三类关联关系都适用于不同的场景。
1、充币地址与充币地址之间的关系
由于tornado只能存0.1ETH、1ETH、10ETH、100ETH，所以在实际转账过程中，可能会出现资金分配，矿工费分配，或者存入之后地址剩余ETH汇集等情况。
2、提币地址与提币地址之间的关系
在需要提款时，提款地址之间可能也会存在汇集的可能，比如汇集到交易所。
3、充币地址和提币地址之间的关系
充币地址和提币地址之间是否任然存在关联，这是关键所在，如果是一个非常熟悉隐私交易的黑客，他可能会想尽一切办法来切断关键地址之间的联系，但实际操作过程中因为都是人在操作，难免会有疏忽或者遗漏，可能会留下蛛丝马迹。
基于以上三个场景和关联类型的猜想，我们先对100ETH的交易池进行分析。根据直接交易对手数据直接生成相应的关联图（图中地址后面的d代表充值地址，w代表提币地址）
第一种情况
充币地址与充币地址存在关联关系，以0x0022d8bda338fd7e5c7248f32090252fd6dc11ef 为例：
该地址与多个充币地址间出现过交易对手重叠的情况，链上分析这些地址的关系，可以判断出该地址在对 tornado 先后充值 100ETH 和 10ETH 之后
剩余的 ETH 汇集到了 0x6bafcd65f9ad3a99509d8d7d987acfa393db7c39地址中，并由该地址将剩余的 0.1ETH 也充值到 tornado 交易池中。
第二种情况
提币地址与提币地址之间存在关联关系，以0x9c67d8383f1eeb6e2ff2b0d296aa6a51ea2858a1 为例：
该地址与多个提币地址之间产生关联关系，这些地址都从tornado 100eth的交易池中发起过提币行为，每个地址都提取了1000ETH
并在提币之后都汇集到了 0x120cffb605c8127442c2f8515eb25749cce52947 地址中
继续分析后续路径可以看到 0x120cffb605c8127442c2f8515eb25749cce52947 又将ETH进行了多次周转最终到了 0x32e9dc9968fab4c4528165cd37b613dd5d229650 等地址中，并最终经过 Swap 将 ETH 换成其他代币转到了币安等交易所中。
上面两种情况，隐私交易都只在充币端或者提币端之后产生了关联，虽然能够追溯到一些信息，但充币和提币之间的联系还是断开的，那么我们探索第三种情况。
正所谓人无完人，再缜密的计划也可能留下线索，如果 tornado 的使用者在使用时没有完全隔离地址，则通过交易对手的关系是有可能关联上的，以 0x167ae15b74cd20482e80f7e425b4ae6d2cc631c4 为例。
在上面关联关系中，五个地址都通过直接交易对手 0x4278314c1a50da6014e580cbff34fc383b335049 进行关联，从而在一定程度上可以将这五个地址的出入金关系建立起来，如果进一步挖掘金额和后续资金流向关系，则可以尝试进一步溯源。
在整个试验中，100ETH 池子有 4132个充币地址，有703个提币地址，清洗出来有直接交易对手重叠的关联地址有2859个，大约占整个地址59%左右，说明大部分人在使用tornado隐私协议的时候，因为使用上的疏忽，并没有做到100%的隐私。
挖出关联地址也意味着对tornado的溯源成为一种可能（本文取样只取了直接交易对手，如果取更深层次的交易对手准确率会更高），在获取到大量的关联地址之后可以根据交易所地址的kyc或者ens推特等渠道进一步挖掘真实信息。
基于案例验证结果数据
我们从链探的黑客事件库中挖掘历史上发生过的一些安全事件，并筛选出事件中使用了tornado的相关地址按照上述理论进行分析。
对KuCoin被盗事件进行分析
直接交易对手关联地址分析
黑客通过8个地址将ETH存入到Tornado 100ETH的交易池中，这8个充币地址通过直接交易对手 0x23156749a0acefc8f07b9954d181d50084c1519e 和 0x82e6b31b0fe94925b9cd1473d05894c86f277398 进行了关联。
而从上面的关联图可以看到由于黑客疏忽，充币地址 0x34a17418cec67b82d08cf77a987941f99dc87c6b 通过直接交易对手地址 0x82e6b31b0fe94925b9cd1473d05894c86f277398 和提币地址 0xc609b3940be560c8c00e593bea47fb6ecef6b2c6 进行了关联。
0xc609b3940be560c8c00e593bea47fb6ecef6b2c6 只提币 2900ETH（占 8 个充币地址存入ETH总量的一小部分），
可以看到黑客因为 0x82e6b31b0fe94925b9cd1473d05894c86f277398 中没有足够的矿工费，
先后从 0xc609b3940be560c8c00e593bea47fb6ecef6b2c6 和 0x23156749a0acefc8f07b9954d181d50084c1519e 中转出过矿工费到 0xc609b3940be560c8c00e593bea47fb6ecef6b2c6，
而正好充币地址的矿工费也从这两个地址转出过，从而让提币地址和充币地址建立了关联。
继续顺藤摸瓜可以发现，提币出来的 ETH 又转到了其他地址，在整个链路上继续深入，可以发现ETH被分散发到了很多地址，并有大量的 ETH 转入了币安的充币地址 0x28c6c06298d514db089934071355e5743bf21d60
至此，整个链路追踪在币安断开，如果能获取到币安kyc信息便可具体定位人员。
交易所 Liquid 被盗
发现四个充币地址向 100ETH 的池子充过币，并且通过直接交易对手 0x5578840aae68682a9779623fa9e8714802b59946 关联。
FinNexus DeFi 项目被盗
发现两个充币地址关联，0x5271b379f3e1954e20791142d734596a3de28efd 和 0x5ebc7d1ff1687a75f76c3edfabcde89d1c09cd5f 都向 100eth 的池充过 ETH，并通过直接对手 0xfe381bc045b85e0acd93e85ecfe65ecb0fec2a44 关联。
参考文献：《对以太坊用户进行分析和去匿名化》
