一種得分導(dǎo)向的智能合約模糊測試方法

陳可欣，劉嘉勇，賈 鵬

（四川大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，成都 610065）

0 引言

近年來，加密貨幣和區(qū)塊鏈技術(shù)在行業(yè)和學(xué)術(shù)界獲得了極大的普及和關(guān)注。區(qū)塊鏈的發(fā)展一共經(jīng)過了以下兩個(gè)階段：第一個(gè)階段主要解決不信任的情況下網(wǎng)絡(luò)對(duì)等方之間的安全轉(zhuǎn)賬問題。第二個(gè)階段出現(xiàn)了許多支持智能合約的增強(qiáng)型區(qū)塊鏈平臺(tái)，其中最受歡迎的平臺(tái)之一是以太坊，它使用圖靈完備的編程語言增強(qiáng)了區(qū)塊鏈平臺(tái)，使開發(fā)人員可以編寫智能合約和去中心化應(yīng)用程序。

隨著以太坊的不斷發(fā)展，智能合約的數(shù)量也在急速增長。智能合約的概念最早是在1995年被提出的，是一種旨在以信息化方式傳播、驗(yàn)證或執(zhí)行合同的計(jì)算機(jī)協(xié)議。智能合約將與合約相關(guān)的所有條款以及邏輯全都編寫到一段代碼中去。智能合約可以進(jìn)行自我執(zhí)行以及自我驗(yàn)證，在執(zhí)行的過程中不需要人工進(jìn)行干預(yù)。然而，智能合約不斷發(fā)展的同時(shí)，其存在的安全漏洞也逐漸顯露。近年來，利用以太坊智能合約中的安全漏洞進(jìn)行攻擊的新聞報(bào)道越來越多。一個(gè)著名的事件就是針對(duì)去中心化的自 治 組 織 DAO （decentralized autonomous organization，DAO）的攻擊，造成了6000 萬美元的損失。智能合約易受攻擊的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）智能合約的運(yùn)行依賴于底層的區(qū)塊鏈平臺(tái)以及其他的協(xié)作合約，合約開發(fā)者沒能完全理解這些合約之間以及合約與底層區(qū)塊鏈平臺(tái)之間隱含的關(guān)系。

（2）智能合約的編程語言與運(yùn)行環(huán)境對(duì)于合約開發(fā)者來說都是全新的，這些工具本身也還不夠成熟，合約開發(fā)者沒能很好地處理這些工具自身的不足。

（3）區(qū)塊鏈具有不可篡改的性質(zhì)，智能合約在被部署至區(qū)塊鏈平臺(tái)之后難以更新。模糊測試是一種發(fā)現(xiàn)軟件漏洞的有效方法，其基本原理是，在很少或根本不知道文件的底層語法結(jié)構(gòu)的情況下，隨機(jī)地改變輸入文件的某些部分生成變異文件，通過變異文件嘗試觸發(fā)目標(biāo)程序的異常和安全漏洞。該技術(shù)自出現(xiàn)以來得到了廣泛的應(yīng)用，并發(fā)現(xiàn)了大量的軟件漏洞。

因?yàn)槟：郎y試技術(shù)在挖掘漏洞方面的高效性，開始有研究者將模糊測試技術(shù)應(yīng)用在智能合約的漏洞挖掘場景中，并且提出了一些針對(duì)智能合約的漏洞挖掘工具，如Nguyen 等提出的sFuzz、Jiang 等提出 的ContractFuzzer、Luu 等提出的Oyente 等。然而，現(xiàn)有的智能合約漏洞挖掘工具還存在著一些不足之處：sFuzz 結(jié)合了AFL（american fuzzy lop）模糊器中的策略，是一個(gè)覆蓋率引導(dǎo)的智能合約模糊測試工具，雖然其在實(shí)現(xiàn)高代碼覆蓋率和發(fā)現(xiàn)漏洞方面是有效的，但并沒有考慮到種子的優(yōu)劣，均等對(duì)待每個(gè)種子，會(huì)導(dǎo)致花費(fèi)很多時(shí)間在低質(zhì)量的種子上。Oyente 將需要分析的合約的字節(jié)碼和當(dāng)前以太坊的全局狀態(tài)作為輸入，檢測合約是否存在安全問題，并向用戶輸入有問題的符號(hào)路徑。但是，由于符號(hào)執(zhí)行的路徑深度限制，驗(yàn)證所有可能的路徑會(huì)遇到路徑爆炸問題，當(dāng)路徑約束復(fù)雜且難以解決時(shí)，符號(hào)執(zhí)行可能無法探索深層路徑，并且具有較差的可伸縮性。ContractFuzzer 使用預(yù)先部署的合約構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)并生成事務(wù)以運(yùn)行智能合約，基于一組預(yù)定義的參數(shù)值生成測試用例，并以一組特定于智能合約的測試用例來判斷是否存在某種漏洞。但ContractFuzzer 只是簡單地通過輸入大量的參數(shù)來發(fā)現(xiàn)漏洞，并不能有效地觸發(fā)更深層次的路徑。

針對(duì)上述智能合約模糊測試工具存在的不足，本文提出了一種效率導(dǎo)向的智能合約模糊測試工具ConFuzz。根據(jù)測試用例的執(zhí)行速度、到達(dá)的路徑深度等因素給測試用例進(jìn)行打分，基于分值來調(diào)整測試用例在havoc 階段的用時(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ConFuzz 可以在更短的時(shí)間里檢測出更多的漏洞，有效提高了針對(duì)智能合約的模糊測試的效率。

本文的組織結(jié)構(gòu)如下：第一節(jié)介紹智能合約的一些常見漏洞。第二節(jié)對(duì)ConFuzz的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。第三節(jié)給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并與其他方法進(jìn)行了比較。最后，在第四節(jié)中進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)未來工作進(jìn)行了展望。

1 智能合約漏洞

在本節(jié)中，將詳細(xì)介紹智能合約幾種常見漏洞。

1.1 可重入漏洞

當(dāng)存在重入漏洞的合約將以太幣發(fā)送給惡意的合約地址時(shí)（惡意合約地址來源于輸入或者是調(diào)用者地址），攻擊者可以通過重入漏洞重新進(jìn)入存在漏洞的合約。此時(shí)漏洞合約雖然已經(jīng)發(fā)送了以太幣完成交易，但合約狀態(tài)還未更新，攻擊者可以執(zhí)行一些開發(fā)人員不希望執(zhí)行的合約邏輯，比如利用漏洞合約中的轉(zhuǎn)賬操作向攻擊者賬戶進(jìn)行非法轉(zhuǎn)賬。

1.2 無燃?xì)獍l(fā)送

以太坊中的每一筆交易都是按照智能合約的規(guī)定一步一步執(zhí)行命令的，每執(zhí)行一個(gè)命令都會(huì)產(chǎn)生一定的消耗，這個(gè)消耗用燃?xì)猓╣as）作為單位。另外，不同命令消耗的燃?xì)猓╣as）數(shù)量也不相同。每一筆交易都被要求包含一個(gè)燃?xì)馍舷蓿╣as limit），該上限代表是這筆交易允許消耗的燃?xì)獾淖畲笾?，可以理解為交易服?wù)本身的服務(wù)費(fèi)。當(dāng)合約使用send 函數(shù)發(fā)送以太幣到某一合約時(shí)，接收合約中的回退函數(shù)將會(huì)被調(diào)用，如果回退函數(shù)執(zhí)行過程中消耗的燃?xì)獯笥?300，就會(huì)觸發(fā)一個(gè)異常，導(dǎo)致轉(zhuǎn)賬失敗，但是原有合約會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。該漏洞產(chǎn)生的根本原因是使用send 調(diào)用其他合約函數(shù)時(shí)，在執(zhí)行期間觸發(fā)的異常不會(huì)影響原有函數(shù)的執(zhí)行。

1.3 異常無序

智能合約間的相互調(diào)用除了直接調(diào)用以外還有通過函數(shù)的嵌套調(diào)用方式。如果每一個(gè)調(diào)用都是對(duì)合約函數(shù)的直接調(diào)用，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，包括以太幣轉(zhuǎn)賬在內(nèi)的所有交易都會(huì)被還原，并返回false。但是，當(dāng)合約間以函數(shù)的方式嵌套調(diào)用其他合約時(shí)，由于solidity語言中沒有一個(gè)一致的方法去處理異常，交易的fallback 便會(huì)在該調(diào)用函數(shù)處停止并返回false。發(fā)起調(diào)用的合約可能無法獲取被調(diào)用的合約中的異常信息。這種處理異常的不一致性會(huì)影響到合約的安全性。比如，如果僅僅根據(jù)沒有異常拋出就認(rèn)為轉(zhuǎn)賬是成功的，這是很不安全的。

1.4 DelegateCall受控漏洞

DelegateCall 函數(shù)的目的是用于實(shí)現(xiàn)類似于代碼庫的調(diào)用。它可以讓合約在不用傳輸自身狀態(tài)的情況下使用其他合約的代碼。但是當(dāng)函數(shù)的參數(shù)是由當(dāng)前調(diào)用者指定時(shí)，攻擊者便可以用合約擁有者的身份執(zhí)行其他合約的任意函數(shù)。利用這個(gè)漏洞進(jìn)行攻擊的典型事件是對(duì)錢包（wallet）合約的攻擊，該攻擊導(dǎo)致合約的擁有者損失了3000萬美元。

1.5 塊依賴和時(shí)間戳依賴

當(dāng)一個(gè)智能合約使用區(qū)塊狀態(tài)變量作為發(fā)送以太幣等關(guān)鍵操作的執(zhí)行條件，或者作為生成隨機(jī)數(shù)的來源時(shí)，就有可能存在此類型漏洞。區(qū)塊狀態(tài)變量包括時(shí)間戳、深度、燃?xì)馍舷薜?，由于一個(gè)區(qū)塊的時(shí)間戳是由礦工挖礦時(shí)的系統(tǒng)決定的，礦工可以事先計(jì)算出對(duì)自己有利的時(shí)間戳，并且在挖礦時(shí)將時(shí)間設(shè)置成對(duì)自己有利的時(shí)間。因此一個(gè)惡意的礦工能夠通過修改區(qū)塊的時(shí)間戳獲取利益。

1.6 以太凍結(jié)

以太凍結(jié)漏洞產(chǎn)生的原因是有些合約用于接受以太幣，并轉(zhuǎn)賬給其他地址，但是，這些合約本身并沒有實(shí)現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)賬函數(shù)，而是通過調(diào)用其他合約中的轉(zhuǎn)賬函數(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)賬的功能。如果這些提供轉(zhuǎn)賬功能的合約執(zhí)行了銷毀操作的話，那么，調(diào)用了這個(gè)轉(zhuǎn)賬功能的合約就有可能發(fā)生以太幣被凍結(jié)的情況。當(dāng)以太幣被凍結(jié)后，因?yàn)楹霞s的代碼無法被修改，也就無法進(jìn)行轉(zhuǎn)出操作。

1.7 算術(shù)上溢/下溢

與其他的編程語言一樣，在solidity 語言中，合約余額的檢查中如果直接使用了加減乘除而沒做額外的判斷時(shí)，就會(huì)存在算術(shù)溢出隱患，攻擊者可以通過傳入超大數(shù)字導(dǎo)致溢出繞過判斷，這樣就可以轉(zhuǎn)走巨額代幣。

2 智能合約模糊測試實(shí)現(xiàn)

在本節(jié)中，首先定義智能合約模糊測試中存在的問題，然后逐步詳細(xì)介紹本文的方法。

2.1 問題描述

在AFL 的變異機(jī)制中，維護(hù)了一個(gè)種子隊(duì)列，每次把種子隊(duì)列中的文件取出來后，對(duì)其進(jìn)行變異然后投送給目標(biāo)程序。如表1 所示，AFL 的文件變異方法主要有6 種，其中前4 種變異方式由于不存在隨機(jī)性，所以也叫作確定性變異，后2種因?yàn)榇嬖陔S機(jī)性，稱為非確定性變異。當(dāng)種子隊(duì)列中的所有文件變異結(jié)束后，代表完成了一個(gè)cycle，進(jìn)入下一輪變異?，F(xiàn)有智能合約模糊測試工具沒有考慮種子的重要程度，所有的種子都會(huì)得到相同的變異時(shí)間，這一定程度上會(huì)影響Fuzz的效率。

表1 AFL文件變異方法

2.2 ConFuzz整體結(jié)構(gòu)

ConFuzz的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ConFuzz的整體結(jié)構(gòu)

ConFuzz 從初始種子集中選取種子，根據(jù)表1 所示的種子變異算法對(duì)種子進(jìn)行變異以生成fuzz智能合約的測試用例。同時(shí)其監(jiān)視測試用例的執(zhí)行，將fuzz 過程中的覆蓋率、分支數(shù)、每秒執(zhí)行的變異種子數(shù)、種子到達(dá)的路徑深度等信息記錄在執(zhí)行日志中。如果發(fā)現(xiàn)了程序崩潰，ConFuzz 就檢查執(zhí)行日志并報(bào)告漏洞類型。如果發(fā)現(xiàn)了新的路徑，那么把到達(dá)該路徑的測試用例添加到種子池中做進(jìn)一步的變異。在種子變異算法上，ConFuzz 根據(jù)種子的執(zhí)行速度、到達(dá)的路徑深度等因素給種子進(jìn)行打分，根據(jù)分值，來調(diào)整在非確定性變異階段havoc 方法的用時(shí)。換而言之，打分機(jī)制的根本目的使得執(zhí)行時(shí)間短、代碼覆蓋高、到達(dá)更深路徑深度的種子執(zhí)行的時(shí)間更長，擁有更多的havoc變異機(jī)會(huì)。

2.3 ConFuzz打分機(jī)制

如2.1 節(jié)所述，為了解決sFuzz 在非確定性變異階段沒有考慮種子重要程度的問題，ConFuzz 提出了一種打分機(jī)制，來實(shí)現(xiàn)對(duì)種子重要性的評(píng)估，并且給予重要程度高的種子更多的變異時(shí)間。打分機(jī)制被廣泛地應(yīng)用于衡量候選種子質(zhì)量，在AFL、Li 等提出的vFuzz等著名模糊測試框架中，都有運(yùn)用。許多實(shí)踐表明，通過打分機(jī)制，能讓質(zhì)量更高的種子優(yōu)先變異，顯著提高fuzz過程的效率。

ConFuzz 構(gòu)造了一個(gè)名為calculate_score 的函數(shù)對(duì)種子進(jìn)行打分，調(diào)整havoc 階段用時(shí)，如算法1 所示。第2 行從種子樣本池中選擇種子，遍歷池中的所有種子。第3 到4 行是第一個(gè)打分判斷條件，首先計(jì)算出一個(gè)速度的平均值，并以這個(gè)平均值作為后續(xù)打分的標(biāo)準(zhǔn)，即，將每個(gè)種子的執(zhí)行速度乘以某個(gè)（0，4］之間的數(shù)，并將結(jié)果與平均值比較。運(yùn)行快速種子的成本更低，所以ConFuzz給它們更多的時(shí)間，如果結(jié)果大于平均值，乘的數(shù)越小的種子，代表該種子的運(yùn)行速度越快，給的分就越高；反之，如果小于平均值，那么乘的數(shù)越大的種子，代表該種子的運(yùn)行速度越慢，得分就越低。第5 到8行是第二個(gè)打分判斷條件，根據(jù)測試用例到達(dá)的深度來進(jìn)行打分，能夠到達(dá)更深層次的測試用例更可能揭示無法發(fā)現(xiàn)的漏洞，到達(dá)的深度越深，也就是覆蓋率越高，得分就越高。值得注意的是，在第7行，增加了一個(gè)判斷條件，如果最大深度小于3，就不給該種子打分。這樣做有兩個(gè)原因：一是因?yàn)樯疃葴\的待測的合約小，分支少，對(duì)小合約用大量的樣本進(jìn)行fuzz 并不能提高發(fā)現(xiàn)漏洞的機(jī)會(huì)；二是因?yàn)殡S機(jī)性變異過于盲目，變異出到達(dá)更深路徑的種子概率過低。通過加入打分機(jī)制，能夠保證執(zhí)行速度快、覆蓋深度深的種子具有更多的變異次數(shù)、更長的havoc 變異時(shí)間，進(jìn)而就有更大的幾率發(fā)現(xiàn)更多的漏洞。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在本節(jié)中，通過實(shí)驗(yàn)將ConFuzz 與Contract Fuzzer 和sFuzz 這兩個(gè)智能合約模糊測試工具進(jìn)行比較。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文的實(shí)驗(yàn)是在配有8GB 內(nèi)存的Ubuntu18.04.1 LTS 上運(yùn)行的。測試合約一共有381 個(gè)，都 是 從EtherScan網(wǎng) 站 上 爬 取 的。EtherScan 是2015年推出的一個(gè)以太坊區(qū)塊探索和分析的分布式智能合約平臺(tái)， 作為探索以太坊的窗口，可以查看合約信息、交易信息等。

3.2 結(jié)果分析

ConFuzz 一共測試了381 個(gè)合約，共有兩種類型的賬戶去調(diào)用這些合約，包括一個(gè)普通賬戶和一個(gè)專門測試可重入漏洞的賬戶。每個(gè)合約測試時(shí)間為1 min，共測試了三次，計(jì)算三次的平均值，結(jié)果如表2所示。其中表格第一列列出了ConFuzz測出的漏洞類型，第二、三列分別列出了該類型漏洞的數(shù)量以及占漏洞總數(shù)的百分比，第四列是該類型漏洞的真陽性率，即ConFuzz 檢測出來的存在該漏洞的合約數(shù)除以經(jīng)驗(yàn)證所有存在該漏洞的合約數(shù)。

表2 ConFuzz漏洞測試結(jié)果

可以看到，對(duì)于可重入漏洞、無氣發(fā)送、Delegatecall 受控漏洞、異常無序、算術(shù)上溢、算數(shù)下溢這六種類型的漏洞來說，每一個(gè)被Confuzz 測出來的漏洞經(jīng)過人工檢測都是真實(shí)存在的，不存在誤報(bào)。而對(duì)于塊依賴和時(shí)間戳依賴漏洞，ConFuzz 報(bào)告的漏洞中，分別有2 個(gè)和4個(gè)是誤報(bào)，這兩類漏洞產(chǎn)生漏報(bào)的原因是相同的，都是因?yàn)閷^(qū)塊編號(hào)或時(shí)間戳分配給全局變量，但它們與以太發(fā)送過程無關(guān)。

為了對(duì)比三個(gè)工具在速度上的差異，在381個(gè)合約中隨機(jī)抽樣100個(gè)合約，三個(gè)工具的執(zhí)行速度比較如圖2所示。

圖2 三種工具的速度比較

圖2三種工具的速度比較。橫軸代表不同的合約，縱軸代表變異樣本執(zhí)行的速度，即一分鐘內(nèi)生成和執(zhí)行的變異樣本的平均數(shù)。為了直觀清晰地看出結(jié)果，將合約樣本數(shù)量進(jìn)行遞增排序。由于ContractFuzzer 平均每秒只生成和執(zhí)行0.1 個(gè)測試用例，所以沒有在圖上表現(xiàn)出來。ContractFuzzer 速度明顯偏慢的原因主要有兩個(gè)：

（1）ContractFuzzer 維護(hù)了一個(gè)龐大又復(fù)雜的系統(tǒng)，包括一個(gè)線上的模糊測試工具和線下的以太坊虛擬機(jī)（ethereumvirtual machine，EVM）插樁工具，而Confuzz 不用維護(hù)和模擬整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

（2）ContractFuzzer 的大部分時(shí)間花費(fèi)在對(duì)合約的靜態(tài)分析構(gòu)建合約池方面，而Confuzz 不需要進(jìn)行靜態(tài)分析提取函數(shù)選擇器。

從圖2 可以看出，對(duì)隨機(jī)抽樣的100 個(gè)合約中的大部分合約來說，ConFuzz 的執(zhí)行速度比sFuzz快。但是對(duì)于某些合約，sFuzz的執(zhí)行速度比ConFuzz更快。這是因?yàn)榇嬖谝恍┬『霞s，在第一輪的確定性變異階段就可以fuzz 完成，無法進(jìn)入第二輪的非確定性變異階段。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)計(jì)算381 個(gè)合約的平均執(zhí)行速度，結(jié)果表明，ConFuzz 比sFuzz 執(zhí)行的速度提高了8.03%。ConFuzz 速度提高的原因主要有兩個(gè)方面。

（1）增加了打分機(jī)制，使得執(zhí)行速度快的樣本擁有了更多的havoc 時(shí)間，可以變異出更多的執(zhí)行速度快的樣本。

（2）由于速度慢、代碼覆蓋深度淺的樣本得分低，所以對(duì)這些樣本花費(fèi)的時(shí)間更少，就有更多的時(shí)間進(jìn)行有效的樣本變異，執(zhí)行更多效果好的樣本。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Confuzz 在漏洞挖掘方面相較ContractFuzzer 測出的漏洞數(shù)量更多、準(zhǔn)確率更高、更可靠；在速度上Confuzz 比sFuzz 更快，在相同的時(shí)間內(nèi)可以執(zhí)行更多的有效種子樣本，更高效。

4 結(jié)語

隨著區(qū)塊鏈和智能合約技術(shù)的發(fā)展，數(shù)百萬智能合約被部署在區(qū)塊鏈平臺(tái)上，以實(shí)現(xiàn)分散應(yīng)用的構(gòu)建。然而，智能合約存在的安全漏洞對(duì)其未來的發(fā)展構(gòu)成了巨大威脅。本文提出了一個(gè)基于打分機(jī)制的智能合約模糊測試工具ConFuzz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ConFuzz 能有效地發(fā)現(xiàn)智能合約存在的8種類型的漏洞，是高效、快速、準(zhǔn)確度高的智能合約模糊測試工具。

由于ConFuzz 是根據(jù)合約的jumpi 指令計(jì)算合約分支的，如果一個(gè)簡單的合約不含有jumpi指令，ConFuzz 就會(huì)跳過而不去測試它，從而無法發(fā)現(xiàn)其存在的安全漏洞。未來還會(huì)進(jìn)一步考慮這種情況，使得ConFuzz也能有效地測試簡單的合約。區(qū)塊鏈和智能合約仍在不斷地發(fā)展中，越來越多的智能合約被部署。因此，智能合約的安全漏洞問題不容忽視，智能合約的未來將專注于解決這些挑戰(zhàn)。