區(qū)塊鏈智能合約安全開發(fā)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)※

畢曉冰，馬兆豐，徐明昆

（1.北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100876；2.北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，北京 100876）

智能合約是一種計算機(jī)協(xié)議。以太坊是一個公有區(qū)塊鏈平臺，是目前最先進(jìn)的支持智能合約的區(qū)塊鏈平臺。以太坊虛擬機(jī)負(fù)責(zé)將用戶編寫的智能合約代碼編譯成位碼[1-2]。

以太坊智能合約漏洞的出現(xiàn)其實(shí)跟自身的語法（語言）特性有很大的關(guān)系。 在以太坊（今天最著名的智能合約平臺）中編寫表現(xiàn)良好且安全合同的創(chuàng)建過程是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。關(guān)于這一主題的研究最近才在工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域開始。

自智能合約發(fā)行以來，頻發(fā)區(qū)塊鏈漏洞諸多案例：美鏈蒸發(fā)60億事件；區(qū)塊鏈界最大眾籌項(xiàng)目Decentralized Autonomous Organization（TheDAO）被攻擊事件；交易所用戶被釣魚導(dǎo)致 APIKEY 泄漏； MyEtherWallet 遭域名系統(tǒng)Domain Name System（DNS）劫持致使用戶Ether（ETH）被盜等等。頻頻爆出的區(qū)塊鏈安全事件，使得越來越多的安全從業(yè)者將目標(biāo)轉(zhuǎn)到了智能合約上。對智能合約漏洞進(jìn)行分析與應(yīng)對顯得尤其重要。

維也納大學(xué)基于Solidity語言闡述了幾種常見的智能合約安全模式。所呈現(xiàn)的模式描述典型安全問題的解決方案?？ɡ麃喞锎髮W(xué)系統(tǒng)闡述以太坊及其高級語言Solidity的安全漏洞。本文分析以太坊基于Solidity語言的重入、數(shù)據(jù)溢出、短地址攻擊三個典型漏洞作為智能合約開發(fā)人員的參考，重現(xiàn)漏洞攻擊過程并且在分析其成因的基礎(chǔ)上提出安全模式下的應(yīng)對策略[4-6]。

1 智能合約關(guān)鍵技術(shù)介紹

1.1 以太坊

比特幣的設(shè)計僅適合虛擬貨幣場景，由于存在非圖靈完備性、缺少保存狀態(tài)的賬戶概念、POW挖礦機(jī)制所帶來的資源浪費(fèi)與效率問題，在很多區(qū)塊鏈應(yīng)用場景中并不適用，以太坊在此情況下應(yīng)運(yùn)而生。

以太坊是通用的全球性區(qū)塊鏈，可以管理應(yīng)用的狀態(tài)。同時以太坊完美結(jié)合了區(qū)塊鏈與智能合約。它通過工作量證明機(jī)制實(shí)現(xiàn)共識，由礦工挖礦，通過P2P網(wǎng)絡(luò)廣播協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對區(qū)塊鏈的同步等操作。在以太坊上編寫智能合約，可進(jìn)行去中心化應(yīng)用的開發(fā)，以滿足金融或非金融的應(yīng)用需求[1-2]。

在以太坊上部署的智能合約運(yùn)行在以太坊特有的虛擬機(jī)上，通過以太坊虛擬機(jī)Ethereum Virtual Machine（EVM）和Remote Procedure Call（RPC）遠(yuǎn)程調(diào)用接口與底層區(qū)塊鏈交互。

1.2 智能合約

計算機(jī)科學(xué)家Nick Szabo描述到：智能合約是一個由計算機(jī)處理、執(zhí)行的用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的協(xié)議。其總體目標(biāo)是能夠滿足普通的合約條件，如支付、抵押、保密甚至強(qiáng)制執(zhí)行。

從技術(shù)角度講，智能合約可以被看作一種計算機(jī)程序代碼，這種程序不經(jīng)人為干涉，可以自主地執(zhí)行全部或部分合約相關(guān)的操作。這種程序產(chǎn)生相應(yīng)的可以被驗(yàn)證的證據(jù)，從而體現(xiàn)執(zhí)行合約操作的有效性。

以太坊上的一個智能合約就是一段可以被以太坊虛擬機(jī)執(zhí)行的代碼，這些代碼以以太坊特有的二進(jìn)制形式存儲在區(qū)塊鏈上，并由以太坊虛擬機(jī)解釋，因此被稱為以太坊虛擬機(jī)位碼（bytecode）。

智能合約一旦部署成功，就不能修改，因此出現(xiàn)漏洞就無法及時修正。

1.3 安全漏洞

以太坊的智能合約漏洞根據(jù)引入的級別將漏洞分為三類：Solidity、EVM字節(jié)碼、區(qū)塊鏈。詳細(xì)分類如下。

Solidity類：以太坊費(fèi)用（Gas）快速消耗、誤操作異常、可重入攻擊、調(diào)用未知狀態(tài)、輸入類型。

EVM字節(jié)碼：不可改變的錯誤、堆棧大小限制、以太幣傳輸丟失、短地址漏洞。

區(qū)塊鏈：可預(yù)測的隨機(jī)處理、時間戳依賴、不可預(yù)測狀態(tài)。

1.4 Solidity

Solidity 是一種語法類似 JavaScript 的合約開發(fā)語言，是編寫智能合約最流行的編程語言。開發(fā)者按一定的業(yè)務(wù)邏輯編寫合約代碼。編寫后的智能合約發(fā)布在以太坊上，代碼根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯將紀(jì)錄上鏈。以太坊更像是一個應(yīng)用生態(tài)平臺。發(fā)布合約，在以太坊上供業(yè)務(wù)直接使用。

使用Solidity進(jìn)行合同開發(fā)時，合同的結(jié)構(gòu)類似于面向?qū)ο缶幊陶Z言中的類。 合同代碼由讀取和修改這些變量和函數(shù)的變量和函數(shù)組成，就像傳統(tǒng)的命令式編程一樣[7]。

2 智能合約漏洞分析

2.1 美鏈漏洞

由EVM指令集的限制，所有的指令都是針對256位這個基本的數(shù)據(jù)單位進(jìn)行的操作，具備常用的算數(shù)、位、邏輯和比較操作。

美鏈漏洞就是因?yàn)椴僮鲾?shù)據(jù)發(fā)生溢出，黑客利用此轉(zhuǎn)出近60億人民幣，導(dǎo)致BEC代幣的市值接近歸0，產(chǎn)生巨大損失。

2.1.1 關(guān)鍵函數(shù)

不安全代碼：

batchTransfer函數(shù)功能為批量給若干用戶地址轉(zhuǎn)入_value個代幣。

2.1.2 攻擊原理

攻擊者傳入兩個地址，value值為2^255，當(dāng)參數(shù)傳入時未進(jìn)行溢出判斷；合約中語句uint256 amount = uint256(cnt) ※ _value；執(zhí)行后也未進(jìn)行溢出判斷；即假設(shè)uint256最大值為MAX的話，如果轉(zhuǎn)賬數(shù)值 uint256(cnt) ※ _value== MAX+1，則amount=0，轉(zhuǎn)賬的時候，sender賬戶-amount，而接受者賬戶+_value，至此，就能夠無限轉(zhuǎn)賬BEC了。

在remix中調(diào)用函數(shù)batchTransfer，向兩個地址轉(zhuǎn)入token值_amount=2^255，即["0x14723a 09acff6d2a60dcdf7aa4aff308fddc160c","0x4b0897b 0513fdc7c541b6d9d7e929c4e5364d2db"]," 0x8000 000000000000000000000000000000000000000000 000000000000000000"

2.1.3 分析及安全應(yīng)對模式

使用safeMath函數(shù)，safeMath函數(shù)是為了計算機(jī)安全而寫的一個library函數(shù)如下。

使用safeMath函數(shù)的乘法在計算后，用assert 驗(yàn)證了結(jié)果是否正確。

計算 amount的時候，用了 mul的話， 則 c /a == b 也就是 驗(yàn)證 amount / cnt == _value此句執(zhí)行報錯，因?yàn)?0 / cnt 不等于 _value，也就不會發(fā)生溢出了。

EVM指令集的指令位數(shù)為256，即其所能處理的有符號數(shù)據(jù)的值范圍為-2^255～2^255，無符號的數(shù)據(jù)范圍為0～2^256-1。超出EVM所限制的范圍將會發(fā)生數(shù)據(jù)溢出。因此在使用數(shù)據(jù)時一定要進(jìn)行溢出判斷；對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時用safeMath函數(shù)。

安全模式代碼如下：

2.1.4 安全代碼不安全代碼執(zhí)行結(jié)果

安全代碼不安全代碼執(zhí)行結(jié)果對比圖如圖1～圖2所示。

圖1 賬戶"0x14723a09acff6d2a60dcdf7aa4aff308fddc160c"余額

圖2 賬戶"0x4b0897b0513fdc7c541b6d9d7e929c4e5364d2 db"余額

安全代碼執(zhí)行結(jié)果如圖3所示。

圖3 安全代碼執(zhí)行結(jié)果

2.2 短地址漏洞

短地址攻擊通常發(fā)生在接受畸形地址的地方，如交易所提幣、錢包轉(zhuǎn)賬。

早在2017年4月，Golem項(xiàng)目發(fā)布一篇博文，內(nèi)容涉及一個影響Poloniex等交易所的安全漏洞。根據(jù)該帖子，當(dāng)某些交易所處理ERC20令牌的交易時，沒有對賬戶地址長度進(jìn)行輸入驗(yàn)證。結(jié)果是提供給合同的轉(zhuǎn)移函數(shù)的輸入數(shù)據(jù)格式不正確，以及操縱發(fā)送金額的后續(xù)下溢條件。影響是攻擊者可能會盜走用戶的token。

2.2.1 關(guān)鍵函數(shù)

sendcoin函數(shù)功能為向參數(shù)為to 地址轉(zhuǎn)入值為 amount個 token。

2.2.2 攻擊原理

取一個最后一個字節(jié)為00的地址，示例為0x254d383ab537ebeab73f816df8e1598f1321bc00，調(diào)用sendCoin函數(shù)，傳入地址參數(shù)截掉最后一個字節(jié)，即向地址：

0x254d383ab537ebeab73f816df8e1598f1321 bc，轉(zhuǎn)入1個token。

"0x254d383ab537ebeab73f816df8e1598f1321 bc"," 0x00000000000000000000000000000000000 00000000000000000000000000001"。執(zhí)行后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)入的amount值為即256。

2.2.3 分析及安全應(yīng)對模式

EVM在進(jìn)行sendcoin函數(shù)調(diào)用時傳參。交易的輸入數(shù)據(jù)由三部分組成。第一部分4個字節(jié)為方法的哈希值0xb90b98a11。第二部分32字節(jié)為以太坊的地址：

0x000000000000000000000000254d383ab537 ebeab73f816df8e1598f1321bc，由于地址為20字節(jié)因此高位自動補(bǔ)零。第三部分為32字節(jié)，在此函數(shù)中為需要傳輸?shù)拇鷰诺臄?shù)量為：

0x000000000000000000000000000000000000 0000000000000000000000000001。

輸入值：

0xb90b98a11000000000000000000000000254 d383ab537ebeab73f816df8e1598f1321 bc00000000 000000000000000000000000000000000000000000 00000000000001共67字節(jié)。

EVM在執(zhí)行時按照每一部分的位數(shù)，自動補(bǔ)取值。即取到的地址最后字節(jié)為amount參數(shù)的最高字節(jié)為0x254d383ab537ebeab73f816df8e1 598f1321bc00，由此導(dǎo)致第三部分的參數(shù)少了一個字節(jié)，末尾自動補(bǔ)零，即amount 值為：

0x000000000000000000000000000000000000 0000000000000000000100000000，即1<<8由原來的數(shù)值1變?yōu)?56。由此取出的代幣值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原有應(yīng)取出的值。使得合約調(diào)用者發(fā)生代幣損失。

所以除了在編寫合約的時候需要嚴(yán)格驗(yàn)證輸入數(shù)據(jù)的正確性，而且在業(yè)務(wù)功能上也要對用戶所輸入的地址格式進(jìn)行驗(yàn)證，防止短地址攻擊的發(fā)生。

針對這個漏洞，以太坊有不可推卸的責(zé)任，因?yàn)镋VM并沒有嚴(yán)格校驗(yàn)地址的位數(shù)，并且還擅自自動補(bǔ)充消失的位數(shù)。此外，交易所在提幣的時候，需要嚴(yán)格校驗(yàn)用戶輸入的地址，這樣可以盡早在前端就禁止掉惡意的短地址。

2.2.4安全代碼不安全代碼執(zhí)行結(jié)果

不安全代碼執(zhí)行結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 調(diào)用前賬戶"0x254d383ab537ebeab73f816df8e1598f13 21bc00"余額

圖5 調(diào)用后賬戶"0x254d383ab537ebeab73f816df8e1598f13 21bc00"余額

進(jìn)行前端控制輸入后的執(zhí)行結(jié)果如圖6所示。

圖6 前端控制輸入執(zhí)行結(jié)果

2.3 重入漏洞

在執(zhí)行智能合約時調(diào)用外部合約有很大的風(fēng)險，因?yàn)榇送獠亢霞s可以接管你當(dāng)前合約的控制流程，惡意的外部合約可能會更改合約中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這對當(dāng)前合約造成的影響是巨大的。

當(dāng)初始執(zhí)行完成之前，外部合同調(diào)用被允許對調(diào)用合同進(jìn)行新的調(diào)用時，就會發(fā)生重新進(jìn)入。對于函數(shù)來說，這意味著合同狀態(tài)可能會在執(zhí)行過程中因?yàn)檎{(diào)用不可信合同或使用具有外部地址的低級函數(shù)而發(fā)生變化。

2.3.1 關(guān)鍵函數(shù)

該合約實(shí)現(xiàn)的是一個公共錢包功能。用戶可以向錢包存錢，合約會記錄每個用戶的資產(chǎn)情況。每個用戶也可以轉(zhuǎn)賬給合約內(nèi)的用戶。

2.3.2 攻擊原理

攻擊者部署一個惡意遞歸調(diào)用，利用EVM在交易時目標(biāo)地址如果是個合約地址，那么默認(rèn)會調(diào)用該合約的 fallback 函數(shù)。fallback函數(shù)在合約里顯示為無返回值，無函數(shù)名。攻擊者通過重寫fallback函數(shù)，在其內(nèi)部進(jìn)行進(jìn)行withdraw函數(shù)的調(diào)用。從而遞歸提取目標(biāo)用戶的所有資產(chǎn)。

2.3.3 分析及安全應(yīng)對模式

deposit函數(shù)的功能是外部用戶向該合約錢包存錢。withdraw函數(shù)為向合約內(nèi)的其他用戶轉(zhuǎn)錢。而withdraw函數(shù)里轉(zhuǎn)賬所用關(guān)鍵語句為to.call.value(amount)();該語句會將剩余的 Gas 全部給予外部調(diào)用（fallback 函數(shù)）。不能有效防止重入。

send相對transfer方法較底層，不過使用方法和transfer相同，都是從合約發(fā)起方向某個地址轉(zhuǎn)入以太幣(單位是wei)，地址無效或者合約發(fā)起方余額不足時，send不會拋出異常，而是直接返回false。

send()方法執(zhí)行時有一些風(fēng)險，調(diào)用遞歸深度不能超1024。如果gas不夠，執(zhí)行會失敗。所以使用這個方法要檢查成功與否。transfer相對send較安全。

安全模式代碼：

使用transfer函數(shù)可以有效防止重入。

當(dāng)發(fā)送失敗時會 throw; 回滾狀態(tài)；只會傳遞2300 Gas 供調(diào)用，防止重入。

2.3.4 安全代碼不安全代碼執(zhí)行結(jié)果

不安全代碼執(zhí)行結(jié)果如圖7所示。

圖7 發(fā)生重入執(zhí)行結(jié)果

安全代碼執(zhí)行結(jié)果如圖8所示。

圖8 安全代碼執(zhí)行結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及評測

3.1 運(yùn)行環(huán)境及檢測工具

智能合約編譯環(huán)境：Browser-Solidity；

運(yùn)行平臺：macOS 10.13.2；

檢測工具Security、SmartCheck。

3.2 檢測結(jié)果及分析

美鏈漏洞檢測結(jié)果如圖9所示。

圖9 美鏈安全代碼檢測結(jié)果

結(jié)果表明改進(jìn)后的代碼即使用safemath函數(shù)能有效的防止操作數(shù)的溢出。

重入漏洞檢測如圖10、圖11所示。

圖10 重入漏洞不安全代碼檢測結(jié)果

圖11 重入漏洞安全代碼檢測結(jié)果

3.3 不安全模式與安全模式對比分析

針對美鏈漏洞即整數(shù)溢出問題、重入漏洞、短地址漏洞三個智能合約典型漏洞。其安全模式下的代碼與不安全代碼的對比分析如表1所示。

4 結(jié)語

建立在區(qū)塊鏈技術(shù)上的智能合約在新的業(yè)務(wù)應(yīng)用程序和科學(xué)界受到極大的關(guān)注。在以太坊中編寫安全的智能合約是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

智能合約一經(jīng)發(fā)布便不可再修改，且為代碼公開的方式。因此，開發(fā)的時候一定要進(jìn)行嚴(yán)格的代碼審查、代碼安全測試。本文通過對數(shù)據(jù)溢出、短地址攻擊、重入智能合約中的三種典型安全漏洞進(jìn)行分析，重現(xiàn)攻擊并分析應(yīng)對策略給出了安全模式。有助于編寫更安全、良好的智能合約。

表1 不安全模式與安全模式對比分析