比特幣:研報丨硬核解析智能合約漏洞原理

撰文：Chen?Bo?Yu、Hsu?Tzu?Hsiu

智能合約基礎介紹

在探討智能合約漏洞解析之前，我們先從一個基本的范例來了解一個智能合約會具備哪些元素。

●?變數：即此范例中的balances，在這個合約中負責存儲使用者地址在合約中對應的存款余額

●?函數：即此范例中的getBalance，使用者呼叫此函數時，會回傳使用者在合約中的存款余額

●?接收函數：即此范例中的receive，這是一個內建的函數。當合約收到使用者傳入ETH且無呼叫其他函示時會觸發，此范例在觸發接收函數時，會變更變數balances的狀態，而函數中的msg.sender代表的是交易的發送者地址

●?回退函數：即此范例中的fallback，這也是一個內建的函數。當使用者呼叫了不存在的函數時觸發，可以理解為例外處理函數。在此范例中，觸發時把交易回退，亦即讓交易失效。

常見漏洞解析

了解問題發生的原因，并且歸納問題的類別可以幫助我們更好的防范。DASP收錄了十種智能合約漏洞，下面我們整理了其中最常見的合約漏洞以及新型態的攻擊模式。

研報：中國央行即將發行的央行數字貨幣和Libra存在本質差別:零壹智庫發布研報《人民幣3.0——中國央行數字貨幣：運行框架與技術解析》，其中提到，中國央行即將發行的央行數字貨幣和Libra存在本質差別。中國央行數字貨幣是由中國央行發行的法定貨幣，是中央銀行的負債，由中央銀行進行信用擔保，具有無限法償性（即不能拒絕接受央行數字貨幣）。而Libra是一種尚未得到監管許可的數字貨幣。雖然Libra的價值與一籃子貨幣掛鉤，但它仍在很大程度上會對現有貨幣體系造成沖擊，擠占現有各國法定貨幣的使用空間。[2020/3/2]

1.重入漏洞

重入漏洞是最著名的智能合約漏洞，先前提到TheDAO事件中也是為此原因而被駭客攻擊，該漏洞原理是通過循環調用一個函數而達到攻擊目的。

這邊展示的是一個簡單的提款函數，讓使用者可以根據合約里的余額取走存款。可以注意到的是，當這個函數的調用者為一智能合約的時候，提款操作將會觸發該智能合約的receive函數，并把剩余的gas傳入。而此時還未把使用者在原先智能合約中記錄的余額歸零，攻擊者即可在receive函數里再次調用withdrawBalance函數，并通過余額狀態尚未修改的漏洞達到重復取款的目的，直到gas耗盡或合約被掏空。

動態 | 灰度研報：超三分之一的美國投資者會考慮投資比特幣:Grayscale Investments（灰度投資）今天發布了“比特幣：2019年投資者研究報告”，首次對散戶投資者的興趣、觀念和關于投資比特幣的誤解進行調查。該研究由金融市場研究公司Q8完成。報告顯示。超過三分之一（36%）的美國投資者會考慮投資比特幣，這代表了一個擁有超2100萬投資者的潛在市場。（Globe Newswire）[2019/7/25]

攻擊流程圖展示

防范方式也很簡單，只要先把智能合約紀錄的余額做清空，再做轉帳動作，即可避免攻擊發生。

2.整數溢位漏洞

在以太坊智能合約中，uint256是常見的整數型別，這意味著此變數可以儲存的整數范圍為0～2^256-1，存儲上限大約是一個78位數的值，你可能會覺得這個數已經夠大了，但它仍然可被用來達成溢位，也就是說當一個變數的值為2^256-1，而對這個變數的值又再進行加一的操作時，他的值會因為超過存儲上限而變為0。要避免此漏洞，我們需要在整數運算前針對整數的范圍去做檢查，并在偵測到溢位運算時即時拋出異常。

動態 | 多倫多上市公司研報：全球哈希率與比特幣價格差異顯著:據消息，近日多倫多上市區塊鏈投資公司Block One Capital Inc.發表了一篇關于加密貨幣采礦業的研究報告。研究顯示，隨著越來越多比特幣礦工的加入，哈希率迅速上升，采礦收益率迅速下降，因此，當下并不是投資挖礦業的好時機。同時，研究還顯示，采礦硬件在運營最初幾天利潤率最高，采礦設備的部署時機對收入影響極大。[2018/9/6]

3.阻斷服務攻擊

智能合約服務中斷是一個嚴重的問題，因為有些漏洞造成的服務中斷是永久性的，無法恢復。攻擊原理包括了：意外執行SELFDESTRUCT指令、訪問控制權限出錯、Gaslimit達到區塊上限使合約無法正常運作、以及我們這邊展示的利用異常拋出，造成合約永久性癱瘓。

這是一個簡單的拍賣合約示例，出價高者可以成為currentLeader，并記錄該次競標出價為highestBid，同時把先前的出價金額還給前一個競標領先者。攻擊者可以部署一個智能合約，在正常出價后讓該合約成為currentLeader，并在合約內負責收款的receive函數中使用revert函數來拋出異常，讓交易失效。當其他使用者想出價競標時，會因為合約無法轉錢給currentLeader，而造成交易失敗，拍賣合約的功能也因此永久失效，攻擊者得以贏下此次的拍賣競標。

全球比特幣挖礦成本研報：年耗電量超過捷克，相當于全球總用電量0.3%:鏈塔智庫發布《全球比特幣挖礦成本研究報告》。報告中稱，截至22日，比特幣年耗電量估計為68.08萬億瓦小時，相當于全球總用電量0.3%。如果比特幣是一個國家，它的耗電量排名大致在41名，位于智利和捷克之間。在韓國比特幣挖礦電力成本最高，委內瑞拉最低。大部分挖礦依靠煤電。全球58%的比特幣礦場位于中國，16%位于美國。[2018/5/23]

攻擊者合約示例

4.?Txorigin漏洞攻擊

當開發者利用solidity中內建的tx.origin變數來驗證權限時，會讓攻擊者有攻擊的機會。在進入示例之前，須先了解tx.origin返回的是原始發送交易的地址，而msg.sender返回的是當前交易的發送者。以下示意圖情景為：

用戶A呼叫了合約B內部的函數，并在函數內又再呼叫了合約C。可以觀察tx.origin與msg.sender的差異。

大摩研報：加密貨幣的興起可能改變央行應對金融危機的方式:摩根士丹利分析師Sheena Shah及其團隊近期發布的研報分析了央行使用加密貨幣的幾個可能的領域，其中最引人注目的潛在應用領域為貨幣政策領域。報告稱，各國央行可以使用加密貨幣，以便在未來一旦發生金融危機時能夠激進地降低利率，減輕危機的影響：“理論上，一個100%數字化的貨幣系統可以允許出現更低的負利率”。[2018/5/15]

接下來來看看實際的攻擊場景，上圖智能合約中的sendTo函數必須符合tx.origin與owner相等的條件才會被執行，但是攻擊者可以通過下圖的智能合約，利用上述提過tx.origin與msg.sender的差異，巧妙地繞過驗證，并觸發sendTo函數。具體細節是當攻擊者誘導上圖合約的owner去觸發了下圖合約的fallback函數時，若攻擊合約在fallback函數內去調用sendTo函數，就可以得到owner的權限去執行。

5.未適當處理externalcall的回傳值

在智能合約中，使用到低層級調用函數指令時，如：address.call()、address.callcode()、address.delegatecall()?和address.send()等等，如果調用失敗并不會拋出異常，僅會回傳調用結果的布林值，合約將能繼續往下執行。若未對調用結果的回傳值做檢查，可能將會使智能合約無法正常運作。

我們以一個簡單的取款函數作為示例，當使用一合約呼叫上圖的withdraw函數，且若該合約不能接收ETH轉入時，會造成呼叫方無法收到ETH，但因合約會繼續往下執行，導致其在合約中balances的狀態紀錄被改變。修正寫法如下：

6.?短地址攻擊

此攻擊手法大多出現在ERC-20智能合約中，須先了解到，當我們呼叫一個函數時，在EVM里實際上是在解析一堆ABI字符。而一般ERC-20標準的代幣都會實現用來轉帳的transfer函數，當我們調用transfer函數時，交易的調用內容由3個部分組成：

●4字節，函數名的哈希值，例如：a9059cbb

●32字節，以太坊地址，例如：

00000000000000000000000011223344556677889900aabbccddeeff11223344

●32字節，代表需要轉送的代幣數量：

0000000000000000000000000000000000000000000000000de0b6b3a7640000

若攻擊者地址為：0x1234567890123456789012345678901234567800，且在呼叫transfer時刻意舍去尾數零，若合約內沒有對內容格式做檢查，EVM讀取時會從第三個參數的高位拿00來補充，這將造成實際想要轉送的代幣數量缺少一個字節，即向左移位了8個比特，數值瞬間擴大256倍，攻擊者成功盜取代幣合約中的代幣。

7.閃電貸攻擊

閃電貸，顧名思義就是快速貸款，那這個速度有多快呢？官方的解釋是，貸款發行和償還的交易必須在以太坊上同一個區塊內完成。可以說閃電貸是一種借助于區塊鏈技術的顛覆式創新，它與傳統的借貸有兩個主要的差別，一個是它無需抵押品，第二個是它要求要在執行借出的同一筆交易中執行還款操作，因此對于出借資金的那方來說是不用承擔違約風險的，因為只有當區塊鏈上借貸方執行的借出與還款操作都確實被執行了，這筆交易才有效。也就是說我們可以設計一個智能合約來借出資金，接著執行一些資金操作，最后在將資金歸還，而這些操作都會在同一筆交易中完成。這就給黑客們帶來了利用閃電貸發動攻擊的機會，因為它大大的降低了黑客的攻擊成本，近期在DeFi領域的多數攻擊都是使用閃電貸來實現，主要都是黑客通過借出的巨額資金來對協議制造價差并從中套利，還款后再帶著不當獲利逃之夭夭。我們從bZx攻擊事件來了解黑客的攻擊思路：

1.?黑客通過閃電貸從去中心化數字資產衍生交易平臺dYdX借出了一萬枚ETH

2.?使用其中的5000枚ETH抵押在去中心化借貸平臺Compound以借出112枚wBTC

3.?剩下的的5000枚ETH到去中心化借貸平臺bZx上開了wBTC的空單

4.?用借出的112枚wBTC到去中心化交易所Uniswap砸盤，讓wBTC價格快速下跌

這一系列操作讓黑客在bZx上開的空單倉位大賺，接著歸還閃電貸借出的一萬枚ETH，并在這個過程中獲得了價值35萬美元的收益。此次攻擊的主要原因是因為Uniswap的價格的劇烈變化最終導致資產的損失，這本該是正常的市場行為，但是黑客通過惡意操縱市場，使項目方造成損失。bZx合約被操縱一事，開始讓閃電貸進入了更多開發者的視線，一方面許多聰明的開發者開發出了全新的去中心化金融應用，同時也讓開發者更為警惕可能的邏輯攻擊。

結論

智能合約的運作為被動的，所有的合約動作均須由使用者發起交易、呼叫合約中的函數函數才會執行動作，而合約執行基于區塊鏈的特性是不可逆的，且當合約部署上區塊鏈后，所有資料都是公開透明的，即便代碼不開源，也可利用反組譯工具回推合約內容。因此，開發者需熟悉漏洞原理并避免之，使用者也應了解合約安全議題，維護自身權益。

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