區塊鏈:深入理解 EVM 存儲機制及安全問題

前言

EVM是一個輕量級的虛擬機，其設計初衷就是提供一種可以忽略硬件、操作系統等兼容性的虛擬的執行環境供以太坊網絡運行智能合約。

簡單來說EVM是一個完全獨立的沙盒，在EVM中運行的代碼是無法訪問網絡、文件系統和其他進程的，以此來避免錯誤的代碼能讓智能合約毀滅或者影響外部環境。

在此基礎上，知道創宇區塊鏈安全實驗室帶大家一起深入理解EVM的存儲機制和安全問題。

EVM存儲結構

可以看到EVM存儲數據分為兩類：

存儲在code和storage里的數據是non-volatile(不容易丟失的)

云南省委宣傳部副部長：深入推進區塊鏈與各行業領域的深度融合:8月25日，云南省委宣傳部副部長、省新聞出版（版權）局局長楊潤，市委常委、市委宣傳部部長徐曉梅率隊到五華區調研“區塊鏈 ”大文創產業建設情況。云南省區塊鏈中心成立了產業聯盟，數十家國內外企業加入，以商招商的產業氛圍日漸濃厚。中心成立一年以來，以成熟領先的區塊鏈技術助力數字云南發展。上線云南區塊鏈平臺，為企業快速部署應用提供極大便利。楊潤表示，五華區要按照“以應用換市場、以市場換產業”思路，以區塊鏈技術應用為突破口，強化政策引領，加大招商引資力度，引進國內外優秀企業落地園區，聚焦場景應用，深入推進區塊鏈與各行業領域的深度融合，把五華區打造成區塊鏈技術應用試驗場、產業發展聚集區。（五華區委宣傳部）[2021/8/30 22:46:23]

存儲在stack，args，memory里數據是volatile(容易丟失的)

中央財經大學郭田勇：應深入研究如何用數字人民幣組建更多功能:中央財經大學中國銀行業研究中心主任郭田勇表示，在數字化的浪潮下，貨幣作為一種支付媒介，其本身的數字化是必然趨勢。考慮到傳統貨幣印制發行成本高、不易攜帶等局限，數字貨幣以其獨特的優勢，極大降低了交易成本。郭田勇指出，數字貨幣如果由政府或者中央銀行來主導，必須協同好同原有銀行體系為主導的支付關系。目前，中國的數字貨幣屬于M0范疇，從金融學角度看，M0并不具有貨幣創造的能力，在整個貨幣儲存量中占比也很小，因此，數字人民幣的范圍還非常有限，未來如何用數字人民幣組建更多的功能，將其推向更大的領域，值得深入研究。這是一個循序漸進的過程，要把握好節奏。郭田勇稱，數字人民幣前期推進比較成功，有利于提升人民幣國際化程度。隨著中國經濟實力增強，人民幣國際業務更為廣泛。面對龐大的國際結算量，數字貨幣高支付效率的優點更易凸顯。（中國新聞網）[2021/7/7 0:32:14]

各個存儲位置的含義

姚前：區塊鏈技術值得數據跨境流動及其監管各方深入研究:《中國金融》2020年第22期，中國證監會科技監管局局長姚前刊文《數據跨境流動的制度建設與技術支撐》表示，支付標記化技術將個人數據的“匿名化”交由可信第三方負責，而區塊鏈技術則創造了用戶完全自主可控的數據隱私保護新思路。用戶的私鑰可以本地生成，通過公鑰計算發布有效的賬戶地址，從而隔斷賬戶地址和賬戶持有人真實身份的關聯。通過控制私鑰，用戶可以在區塊鏈上自主完成交易，雖然在區塊鏈網絡上能夠看到每一筆交易的細節，但無法對應到現實世界中的具體某個人。區塊鏈技術從根本上打破中心化模式下數據控制者對數據的天然壟斷，賦予用戶真正的數據隱私保護權。區塊鏈技術還可與先進密碼學技術結合，發展出各類隱私保護方案。比如，利用基于環簽名、群簽名等密碼學方案保護簽名方身份；采用高效的同態加密方案實現密文的多方處理，隱藏用戶交易金額等敏感信息；采用零知識證明方案，使交易數據能被審查和驗證，但又不能被真實探知。區塊鏈技術這一自主可控的隱私保護新思路，值得數據跨境流動及其監管各方深入研究。[2020/11/24 21:56:04]

Code

政策 | 人民銀行副行長范一飛：要深入推進央行數字貨幣研發:據中國人民銀行消息，人民銀行黨委委員、副行長范一飛強調，要加大改革創新力度，深入推進央行數字貨幣研發，進一步完善紀念幣發行機制，探索多元化發行基金倉儲模式，推動鈔票處理業務轉型。四是著力維護現金流通秩序，繼續推動大額現金管理先行先試，建立整治拒收現金長效機制，健全現金機具管理機制，進一步推進反假貨幣工作重心前移，加強虛擬貨幣監測監管。[2019/2/22]

code部署合約時儲存data字段也就是合約內容的空間，即專門存儲智能合約的二進制源碼的空間

Storage

Storage是一個可以讀寫修改的持久存儲的空間，也是每個合約持久化存儲數據的地方。Storage是一個巨大的map，一共2^256個插槽(slot)，每個插糟有32byte，合約中的“狀態變量”會根據其具體類型分別保存到這些插槽中。

Stack

stack即所謂的“運行棧",用來保存EVM指令的輸入和輸出數據。可以免費使用，沒有gas消耗，用來保存函數的局部變量，數量被限制在16個。stack的最大深度為1024，其中每個單元是32byte。

Args

args也叫calldata，是一段只讀的可尋址的保存函數調用參數的空間，與棧不同的地方的是，如果要使用calldata里面的數據，必須手動指定偏移量和讀取的字節數。

Memory

Memory一個簡單的字節數組，主要是在運行期間存儲數據，將參數傳遞給內部函數。基于32byte進行尋址和擴展。

EVM數據存儲概述

前面已經說過Storage是每個合約持久化存儲數據的地方其儲存數據的方式是通過插槽來實現的，現在就具體介紹它是怎么實現的：

狀態變量

1.對于大小在32字節以內的變量(常量)，以其定義的順序作為它的索引值來存儲。即第一個變量的索引為key(0)，第二個變量的索引為key(1)...

2.對于連續較小的值，可能被優化存儲在同一個位置，比如：合約中前四個狀態變量都是uint64類型的，則四個狀態變量的值會被打包成一個32字節的值存儲在0位置。

未優化：

pragmasolidity^0

??functionm()?externalreturns(uint256,uint256){????Infostorageinfo;????info

??functiontest(bytes32_name,address?_mappedAddress)public{????Personperson;????person.name=_name;????person.mappedAddress=_mappedAddress;????require(unlocked);?}}

漏洞合約分析：

可以看到該合約在函數部分創建新的結構體時沒有進行初始化，由此我們可以利用該函數進行對owner的修改。不過使用該函數我們還要通過require驗證，不過這也不難因為狀態變量unlocked也同樣在我們可控的范圍內。

具體操作：

調用test函數分別傳入向_name傳入：0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001(真值)

_mappedAddress傳入：0xfB89eCb0188cb83c220aADDa1468C1635208e821(個人地址)

傳參前：

傳參后：

可以看到已經成功更改了地址。

總結

可以看到EVM的存儲器就是一個key=>value的健值數據庫，存儲的數據可以通過校驗和來確保一致。但是其也是和智能合約語言進行交互的，當其中一些規則發生沖突很可能就被別有用心的人用來作惡，所以規范的使用智能合約語言是避開漏洞的必要條件。

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