区块链:研报丨硬核解析智能合约漏洞原理

撰文：Chen?Bo?Yu、Hsu?Tzu?Hsiu

智能合约基础介绍

在探讨智能合约漏洞解析之前，我们先从一个基本的范例来了解一个智能合约会具备哪些元素。

●?变数：即此范例中的balances，在这个合约中负责存储使用者地址在合约中对应的存款余额

●?函数：即此范例中的getBalance，使用者呼叫此函数时，会回传使用者在合约中的存款余额

●?接收函数：即此范例中的receive，这是一个内建的函数。当合约收到使用者传入ETH且无呼叫其他函示时会触发，此范例在触发接收函数时，会变更变数balances的状态，而函数中的msg.sender代表的是交易的发送者地址

●?回退函数：即此范例中的fallback，这也是一个内建的函数。当使用者呼叫了不存在的函数时触发，可以理解为例外处理函数。在此范例中，触发时把交易回退，亦即让交易失效。

常见漏洞解析

了解问题发生的原因，并且归纳问题的类别可以帮助我们更好的防范。DASP收录了十种智能合约漏洞，下面我们整理了其中最常见的合约漏洞以及新型态的攻击模式。

1.重入漏洞

研报：中国央行即将发行的央行数字货币和Libra存在本质差别:零壹智库发布研报《人民币3.0——中国央行数字货币：运行框架与技术解析》，其中提到，中国央行即将发行的央行数字货币和Libra存在本质差别。中国央行数字货币是由中国央行发行的法定货币，是中央银行的负债，由中央银行进行信用担保，具有无限法偿性（即不能拒绝接受央行数字货币）。而Libra是一种尚未得到监管许可的数字货币。虽然Libra的价值与一篮子货币挂钩，但它仍在很大程度上会对现有货币体系造成冲击，挤占现有各国法定货币的使用空间。[2020/3/2]

重入漏洞是最著名的智能合约漏洞，先前提到TheDAO事件中也是为此原因而被骇客攻击，该漏洞原理是通过循环调用一个函数而达到攻击目的。

这边展示的是一个简单的提款函数，让使用者可以根据合约里的余额取走存款。可以注意到的是，当这个函数的调用者为一智能合约的时候，提款操作将会触发该智能合约的receive函数，并把剩余的gas传入。而此时还未把使用者在原先智能合约中记录的余额归零，攻击者即可在receive函数里再次调用withdrawBalance函数，并通过余额状态尚未修改的漏洞达到重复取款的目的，直到gas耗尽或合约被掏空。

动态 | 中泰证券研报推荐区块链产业投资机会:中泰证券最新研报认为，伴随此次区块链产业生态战略的地位提高，应该从三条主线把握相关投资机会：1）区块链技术作为新一代信息技术的后进之秀，及“核心技术自主创新重要突破口”的定调下，建议近期密切关注区块链主题投资下的相关机会；2）建议关注受区块链技术应用驱动的金融创新利好的大金融板块；3）区块链、5G及AI等信息技术已经成为谋求竞争新优势的战略方向在，建议持续关注以硬科技引领的科技创新类企业。（证券时报）[2019/10/27]

攻击流程图展示

防范方式也很简单，只要先把智能合约纪录的余额做清空，再做转帐动作，即可避免攻击发生。

2.整数溢位漏洞

在以太坊智能合约中，uint256是常见的整数型别，这意味着此变数可以储存的整数范围为0～2^256-1，存储上限大约是一个78位数的值，你可能会觉得这个数已经够大了，但它仍然可被用来达成溢位，也就是说当一个变数的值为2^256-1，而对这个变数的值又再进行加一的操作时，他的值会因为超过存储上限而变为0。要避免此漏洞，我们需要在整数运算前针对整数的范围去做检查，并在侦测到溢位运算时即时抛出异常。

3.阻断服务攻击

智能合约服务中断是一个严重的问题，因为有些漏洞造成的服务中断是永久性的，无法恢复。攻击原理包括了：意外执行SELFDESTRUCT指令、访问控制权限出错、Gaslimit达到区块上限使合约无法正常运作、以及我们这边展示的利用异常抛出，造成合约永久性瘫痪。

动态 | 灰度研报：超三分之一的美国投资者会考虑投资比特币:Grayscale Investments（灰度投资）今天发布了“比特币：2019年投资者研究报告”，首次对散户投资者的兴趣、观念和关于投资比特币的误解进行调查。该研究由金融市场研究公司Q8完成。报告显示。超过三分之一（36%）的美国投资者会考虑投资比特币，这代表了一个拥有超2100万投资者的潜在市场。（Globe Newswire）[2019/7/25]

这是一个简单的拍卖合约示例，出价高者可以成为currentLeader，并记录该次竞标出价为highestBid，同时把先前的出价金额还给前一个竞标领先者。攻击者可以部署一个智能合约，在正常出价后让该合约成为currentLeader，并在合约内负责收款的receive函数中使用revert函数来抛出异常，让交易失效。当其他使用者想出价竞标时，会因为合约无法转钱给currentLeader，而造成交易失败，拍卖合约的功能也因此永久失效，攻击者得以赢下此次的拍卖竞标。

动态 | 多伦多上市公司研报：全球哈希率与比特币价格差异显著:据消息，近日多伦多上市区块链投资公司Block One Capital Inc.发表了一篇关于加密货币采矿业的研究报告。研究显示，随着越来越多比特币矿工的加入，哈希率迅速上升，采矿收益率迅速下降，因此，当下并不是投资挖矿业的好时机。同时，研究还显示，采矿硬件在运营最初几天利润率最高，采矿设备的部署时机对收入影响极大。[2018/9/6]

攻击者合约示例

4.?Txorigin漏洞攻击

当开发者利用solidity中内建的tx.origin变数来验证权限时，会让攻击者有攻击的机会。在进入示例之前，须先了解tx.origin返回的是原始发送交易的地址，而msg.sender返回的是当前交易的发送者。以下示意图情景为：

用户A呼叫了合约B内部的函数，并在函数内又再呼叫了合约C。可以观察tx.origin与msg.sender的差异。

分析 | 加拿大央行研报：在区块链进行双花欺诈是不现实的:加拿大央行日前公布对区块链技术的激励相容研究结果，着重于通过区块链技术的工作量证明（PoW）共识机制建模，模拟诚实和不诚实矿工的行为，发现利用区块确认时间差进行双重支付的欺诈是“不现实的”。上述研究报告查看区块链这样的数字账本是否免于对双重支付——所谓双花这类欺诈，发现如果一个矿工掌握50%以上算力，具备了51%攻击的能力，理论上说，不诚实的矿工可以进行双花欺诈，但从经济角度看，为了实现这种欺诈，不诚实的矿工必须有很雄厚的财力，而且是“风险中性”，因此报告认为：“这种假设情况通常是不现实的，现实情况下，用户几乎没有经济方面的动机发起这种攻击，特别是在其他矿工的计算投资庞大时。”[2018/7/23]

接下来来看看实际的攻击场景，上图智能合约中的sendTo函数必须符合tx.origin与owner相等的条件才会被执行，但是攻击者可以通过下图的智能合约，利用上述提过tx.origin与msg.sender的差异，巧妙地绕过验证，并触发sendTo函数。具体细节是当攻击者诱导上图合约的owner去触发了下图合约的fallback函数时，若攻击合约在fallback函数内去调用sendTo函数，就可以得到owner的权限去执行。

5.未适当处理externalcall的回传值

在智能合约中，使用到低层级调用函数指令时，如：address.call()、address.callcode()、address.delegatecall()?和address.send()等等，如果调用失败并不会抛出异常，仅会回传调用结果的布林值，合约将能继续往下执行。若未对调用结果的回传值做检查，可能将会使智能合约无法正常运作。

我们以一个简单的取款函数作为示例，当使用一合约呼叫上图的withdraw函数，且若该合约不能接收ETH转入时，会造成呼叫方无法收到ETH，但因合约会继续往下执行，导致其在合约中balances的状态纪录被改变。修正写法如下：

6.?短地址攻击

此攻击手法大多出现在ERC-20智能合约中，须先了解到，当我们呼叫一个函数时，在EVM里实际上是在解析一堆ABI字符。而一般ERC-20标准的代币都会实现用来转帐的transfer函数，当我们调用transfer函数时，交易的调用内容由3个部分组成：

●4字节，函数名的哈希值，例如：a9059cbb

●32字节，以太坊地址，例如：

00000000000000000000000011223344556677889900aabbccddeeff11223344

●32字节，代表需要转送的代币数量：

0000000000000000000000000000000000000000000000000de0b6b3a7640000

若攻击者地址为：0x1234567890123456789012345678901234567800，且在呼叫transfer时刻意舍去尾数零，若合约内没有对内容格式做检查，EVM读取时会从第三个参数的高位拿00来补充，这将造成实际想要转送的代币数量缺少一个字节，即向左移位了8个比特，数值瞬间扩大256倍，攻击者成功盗取代币合约中的代币。

7.闪电贷攻击

闪电贷，顾名思义就是快速贷款，那这个速度有多快呢？官方的解释是，贷款发行和偿还的交易必须在以太坊上同一个区块内完成。可以说闪电贷是一种借助于区块链技术的颠覆式创新，它与传统的借贷有两个主要的差别，一个是它无需抵押品，第二个是它要求要在执行借出的同一笔交易中执行还款操作，因此对于出借资金的那方来说是不用承担违约风险的，因为只有当区块链上借贷方执行的借出与还款操作都确实被执行了，这笔交易才有效。也就是说我们可以设计一个智能合约来借出资金，接着执行一些资金操作，最后在将资金归还，而这些操作都会在同一笔交易中完成。这就给黑客们带来了利用闪电贷发动攻击的机会，因为它大大的降低了黑客的攻击成本，近期在DeFi领域的多数攻击都是使用闪电贷来实现，主要都是黑客通过借出的巨额资金来对协议制造价差并从中套利，还款后再带着不当获利逃之夭夭。我们从bZx攻击事件来了解黑客的攻击思路：

1.?黑客通过闪电贷从去中心化数字资产衍生交易平台dYdX借出了一万枚ETH

2.?使用其中的5000枚ETH抵押在去中心化借贷平台Compound以借出112枚wBTC

3.?剩下的的5000枚ETH到去中心化借贷平台bZx上开了wBTC的空单

4.?用借出的112枚wBTC到去中心化交易所Uniswap砸盘，让wBTC价格快速下跌

这一系列操作让黑客在bZx上开的空单仓位大赚，接着归还闪电贷借出的一万枚ETH，并在这个过程中获得了价值35万美元的收益。此次攻击的主要原因是因为Uniswap的价格的剧烈变化最终导致资产的损失，这本该是正常的市场行为，但是黑客通过恶意操纵市场，使项目方造成损失。bZx合约被操纵一事，开始让闪电贷进入了更多开发者的视线，一方面许多聪明的开发者开发出了全新的去中心化金融应用，同时也让开发者更为警惕可能的逻辑攻击。

结论

智能合约的运作为被动的，所有的合约动作均须由使用者发起交易、呼叫合约中的函数函数才会执行动作，而合约执行基于区块链的特性是不可逆的，且当合约部署上区块链后，所有资料都是公开透明的，即便代码不开源，也可利用反组译工具回推合约内容。因此，开发者需熟悉漏洞原理并避免之，使用者也应了解合约安全议题，维护自身权益。

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