ERC20智能合約整數(shù)溢出系列漏洞披露

陳力波，殷婷婷，倪遠(yuǎn)東，張 超

(清華-360企業(yè)安全聯(lián)合研究中心(籌)，北京 100015)

0 引言

智能合約作為區(qū)塊鏈2.0的代表技術(shù)，適應(yīng)于區(qū)塊鏈去中心化、分布式的特點(diǎn)，具有獨(dú)立運(yùn)行、不可篡改的優(yōu)良特性，可用于實(shí)現(xiàn)包含金融工具在內(nèi)的各類分布式應(yīng)用。開發(fā)者可以自行定義交易邏輯并開發(fā)代碼發(fā)布到鏈上，合約代碼在礦工節(jié)點(diǎn)的虛擬機(jī)環(huán)境(如EVM)中執(zhí)行。合約交易被打包進(jìn)區(qū)塊后，鏈上節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相同代碼，從而同步改變鏈上數(shù)據(jù)狀態(tài)。故合約的多方參與者無需建立信任，也無法相互欺騙。

與傳統(tǒng)程序一樣，智能合約無法避免地存在安全漏洞。而與傳統(tǒng)程序不一樣的是，合約運(yùn)行在開放的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，可以被任意調(diào)用，而且合約的執(zhí)行具有“不可更改”的效果，導(dǎo)致合約的漏洞被利用之后危害更大[6]。前面提到的BEC等合約中存在的整數(shù)溢出漏洞便是一個(gè)典型的例子，攻擊者對(duì)漏洞的利用造成了數(shù)額驚人的損失。

整數(shù)溢出是一種常見的高危漏洞，曾引發(fā)許多嚴(yán)重事故。1996年阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭在發(fā)射37 s后解體并爆炸就是由于整數(shù)溢造成的[7]。整數(shù)溢出的原理是：計(jì)算機(jī)中整數(shù)變量有上下界，如果在算術(shù)運(yùn)算中出現(xiàn)越界，即超出整數(shù)類型的最大表示范圍，數(shù)字便會(huì)如表盤上的時(shí)針從12到1一般，由一個(gè)極大值變?yōu)橐粋€(gè)極小值或直接歸零。此類越界的情形在傳統(tǒng)的軟件程序中很常見，但是否存在安全隱患取決于程序上下文，部分溢出是良性的(如TCP序號(hào)等)，甚至是故意引入的(例如用作hash運(yùn)算等)。整數(shù)溢出漏洞檢測(cè)和校驗(yàn)是有挑戰(zhàn)性的，程序員極容易犯錯(cuò)，而自動(dòng)化檢測(cè)方法最大難點(diǎn)在于判斷候選溢出是否真正導(dǎo)致了危害，以免造成大量的誤報(bào)。

1 自動(dòng)化挖掘

“清華-360企業(yè)安全聯(lián)合研究中心” ChainTrust團(tuán)隊(duì)成員充分利用多年軟件漏洞挖掘的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)智能合約開發(fā)了自動(dòng)化檢測(cè)工具，可以高效挖掘高危整數(shù)溢出漏洞。檢測(cè)工具通過準(zhǔn)確構(gòu)建整數(shù)溢出點(diǎn)的上下文語(yǔ)義，采用符號(hào)執(zhí)行和污點(diǎn)分析等技術(shù)，有效區(qū)分了無害溢出和有害溢出，能夠顯著降低漏洞的誤報(bào)率和漏報(bào)率。

截止到目前，團(tuán)隊(duì)針對(duì)Etherscan上排名前470位的代幣合約進(jìn)行了檢測(cè)，除去未提供源碼、沒有完整爬取源碼或耗時(shí)過長(zhǎng)的合約，最終完整分析了390份合約。在這些被分析的合約中，團(tuán)隊(duì)總共發(fā)現(xiàn)25個(gè)智能合約存在整數(shù)溢出安全問題，申請(qǐng)獲得了5個(gè)CVE編號(hào)，主要包含下述6類新型危害。

團(tuán)隊(duì)成員在“全球EOS開發(fā)者大會(huì)”上對(duì)部分漏洞進(jìn)行了首次披露。本報(bào)告將進(jìn)行詳細(xì)披露，旨在推進(jìn)社區(qū)的安全健康發(fā)展。

2 新型漏洞詳情

2.1 underSell:高賣低收(CVE-2018-11811)

管理員通過修改合約中的參數(shù)來制造溢出漏洞，導(dǎo)致用戶提幣轉(zhuǎn)出token之后，卻收不到ETH(或收到極少量ETH)，造成用戶經(jīng)濟(jì)損失。

漏洞實(shí)例：合約Internet Node Token (INT)。

漏洞所在位置：175行，如圖1所示。

圖1 高賣低收漏洞

漏洞攻擊效果：用戶提幣之后，無法得到對(duì)應(yīng)數(shù)額的ETH。

漏洞原理：sellPrice被修改為精心構(gòu)造的大數(shù)后，可導(dǎo)致amount * sellPrice的結(jié)果大于整數(shù)變量(uint256)最大值，發(fā)生整數(shù)溢出，從而變?yōu)橐粋€(gè)極小值甚至歸零。該值在程序語(yǔ)義中是用于計(jì)算用戶提幣應(yīng)得的ETH數(shù)量，并在175行進(jìn)行了校驗(yàn)，但該值被溢出變?yōu)闃O小值之后可以逃逸175行的校驗(yàn)，并導(dǎo)致用戶售出token后只能拿到少量的(甚至沒有)ETH。

2.2 ownerUnderflow:下溢增持(CVE-2018-11687)

管理員在特定條件下，通過調(diào)用合約中有漏洞的發(fā)幣函數(shù)制造下溢，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自身賬戶余額的任意增加。

漏洞實(shí)例：合約Bitcoin Red(BTCR)

漏洞所在位置：41行，如圖2所示。

圖2 下溢增持漏洞

漏洞攻擊效果：管理員執(zhí)行了一個(gè)正常向某個(gè)地址進(jìn)行發(fā)幣的操作，實(shí)際已經(jīng)暗中將自身賬戶的余額修改為了一個(gè)極大的數(shù)。

漏洞原理：distributeBTR()函數(shù)的本意是管理員給指定地址發(fā)放一定數(shù)額的token，并從自身賬戶減少對(duì)應(yīng)的token數(shù)量。減少管理員賬戶余額的操作為balances[owner] -= 2000 * 10**8，運(yùn)算的結(jié)果將被存到balances[owner]中，是一個(gè)無符號(hào)整數(shù)類型。當(dāng)管理員余額本身少于2000 * 10**8時(shí)，減法計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，解釋為無符號(hào)整數(shù)即一個(gè)極大值。

2.3 mintAny:隨意鑄幣(CVE-2018-11812)

管理員調(diào)用鑄幣函數(shù)給某個(gè)地址增加token時(shí)，利用溢出漏洞可以突破該函數(shù)只能增加token的限制，實(shí)際減少該地址的token數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)任一賬戶余額的任意篡改(增加或減少)。在檢測(cè)中，有多達(dá)18個(gè)合約存在類似安全問題。

漏洞實(shí)例：合約PolyAi (AI)

漏洞所在位置：132行，如圖3所示。

圖3 隨意鑄幣漏洞

漏洞攻擊效果：管理員可以繞過合約限制，任意篡改所有地址的token余額。

漏洞原理：攻擊者通過構(gòu)造一個(gè)極大的mintedAmount，使得balanceOf[target] + mintedAmount發(fā)生整數(shù)溢出，計(jì)算結(jié)果變?yōu)橐粋€(gè)極小值。

2.4 overMint:超額鑄幣(CVE-2018-11809)

管理員通過構(gòu)造惡意參數(shù)，可以繞過程序中規(guī)定的token發(fā)行上限，實(shí)現(xiàn)超額鑄幣。合約Playkey (PKT)存在此類漏洞，導(dǎo)致合約中的鑄幣上限形同虛設(shè)，從而發(fā)行任意多的token。此外，還發(fā)現(xiàn)Nexxus (NXX)、Fujinto (NTO)兩個(gè)合約存在類似漏洞，這兩個(gè)合約沒有鑄幣上限限制，但同樣的手段，可以溢出合約中一個(gè)用于記錄已發(fā)幣總量(totalSupply)的變量值，使其與市場(chǎng)中實(shí)際流通的總幣數(shù)不一致。

漏洞實(shí)例：合約Playkey (PKT)

漏洞所在位置：237行，如圖4所示。

圖4 超額鑄幣漏洞

漏洞攻擊效果：管理員可以篡改已發(fā)幣總量(totalSupply)為任意值，并繞過合約中的鑄幣上限超額發(fā)行token。

漏洞原理：_value在函數(shù)調(diào)用時(shí)被設(shè)置為精心構(gòu)造的極大值，使得totalSupply + _value計(jì)算結(jié)果溢出后小于tokenLimit，從而輕易繞過237行的鑄幣上限檢測(cè)。

2.5 allocateAny:超額定向分配(CVE-2018-11810)

管理員通過制造溢出來繞過合約中對(duì)單地址發(fā)幣的最大上限，可以對(duì)指定地址分配超額的token，使得對(duì)單地址的發(fā)布上限無效。

漏洞實(shí)例：合約LGO (LGO)

漏洞所在位置：286行，如圖5所示。

圖5 超額定向分配漏洞

漏洞攻擊效果：管理員繞過合約中規(guī)定的單地址發(fā)幣上限，給指定地址分配超額的token。

漏洞原理：一個(gè)極大的_amount可以使得算數(shù)加法運(yùn)算holdersAllocatedAmount + _amount發(fā)生整數(shù)溢出，變?yōu)橐粋€(gè)極小值，從而繞過286行的檢測(cè)。

2.6 overBuy：超額購(gòu)幣(CVE-2018-11809)

買家如果擁有足夠多的ETH，可以通過發(fā)送大量token制造溢出，從而繞過ICO發(fā)幣上限，達(dá)到超額購(gòu)幣。

漏洞實(shí)例：合約EthLend (LEND)

漏洞所在位置：236行，如圖6所示。

圖6 超額購(gòu)幣漏洞

漏洞攻擊效果：調(diào)用者繞過合約中規(guī)定ICO的token容量上限，獲得了超額購(gòu)幣。

漏洞原理：一個(gè)極大的_newTokens可以使得算數(shù)加法運(yùn)算totalSoldTokens + newTokens發(fā)生整數(shù)溢出，變?yōu)橐粋€(gè)極小值，從而繞過236行的檢測(cè)。

3 結(jié)論

智能合約之所以“智能”，是由于合約代碼一旦上鏈，其執(zhí)行效果完全由可見且不可篡改的代碼來決定，而不用依賴于對(duì)任何參與方的信任。然而，智能合約并沒有預(yù)期的“智能”，存在相當(dāng)多的安全風(fēng)險(xiǎn)，尤其是管理員權(quán)限下，可能導(dǎo)致諸多嚴(yán)重的安全問題。僅僅通過整數(shù)溢出這一常見漏洞類型，管理員便能夠任意篡改所有賬戶余額，惡意超額，甚至無上限鑄幣，背離合約白皮書的約定，這樣的合約無法保證參與多方的公平性，更談不上智能。而管理員利用整數(shù)溢出進(jìn)行作惡早已有先例，2018年2月初，基于以太坊的Monero Gold(XMRG) Token在交易所的價(jià)格先猛漲787%，后迅速暴跌至崩盤，造成大量用戶經(jīng)濟(jì)損失[8]，其背后就是管理團(tuán)隊(duì)利用預(yù)留的整數(shù)溢出漏洞進(jìn)行超額鑄幣，并在交易所拋售造成惡性通貨膨脹，最后價(jià)值幾乎歸零[9]。在區(qū)塊鏈上運(yùn)行的智能合約，本意是利用區(qū)塊鏈不可篡改的特性來構(gòu)建可信的執(zhí)行環(huán)境，然而安全漏洞的存在就像一個(gè)個(gè)隱藏的定時(shí)炸彈，對(duì)智能合約的可信任基礎(chǔ)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。