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針對(duì)區(qū)塊鏈安全問(wèn)題，成都鏈安科技團(tuán)隊(duì)每一周都將出智能合約安全漏洞解析連載，希望能幫助程序員寫(xiě)出更加安全牢固的合約，防患于未然。

引子：至道問(wèn)學(xué)之有知無(wú)行，分溫故為存心，知新為致知，而敦厚為存心，崇禮為致知，此皆百密一疏。

—— 清·魏源《庸易通義》

卻說(shuō)“DoS攻擊重現(xiàn)區(qū)塊鏈江湖，縝密防范助陣安全陣營(yíng)”，例外判定合力數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的加固，亦使老牌勁敵DoS節(jié)節(jié)敗退。

此回：“重入”“競(jìng)態(tài)”里應(yīng)外合幣窮財(cái)盡，“交互”“限制”強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手鏈泰民安

區(qū)塊鏈的“高速公路”在川流不息的同時(shí)，卻也事故頻發(fā)。究其緣由，大批投資者涌入這個(gè)似乎暢通無(wú)阻，通向明日輝煌的康莊大道，都躍躍欲試一場(chǎng)“速度與激情”，展開(kāi)對(duì)成功的追逐賽。未曾想，挑戰(zhàn)者中并非只有彼此，一襲黑衣，手段了得的選手大有人在，這些處心積慮的黑客總有辦法讓智能合約看似神通廣大，實(shí)則百密一疏。

這一回，我們將重點(diǎn)剖析競(jìng)態(tài)條件漏洞的兩種形式，重入漏洞以及交易順序依賴漏洞。

事件回顧

2016年4月，完全自治，去中心化的項(xiàng)目DAO啟動(dòng)，立刻成為最受歡迎的以太坊項(xiàng)目，然而在其發(fā)布之后，有開(kāi)發(fā)者警告DAO的發(fā)起者，在splitDAO函數(shù)中潛伏著遞歸調(diào)用漏洞[1]。 2016年6月14日，DAO的項(xiàng)目方聲稱漏洞已被定位，資金和合約安全已受到保障。

然而就在3天之后，6月17日，黑客卻利用上述漏洞向DAO發(fā)起攻擊，360萬(wàn)以太幣岌岌可危，超過(guò)6百萬(wàn)美元的資金被源源不斷地被黑客暗度陳倉(cāng)，著實(shí)來(lái)了一場(chǎng)“無(wú)間DAO”。

事件發(fā)生后，DAO負(fù)責(zé)人采取措施減緩了資金流失的速度，以太坊也在7月修改源碼幫助DAO轉(zhuǎn)移資金，嘗試奪回失竊資金，卻導(dǎo)致了以太坊的硬分叉[2]。

想要分析黑客如何對(duì)DAO的資金探囊取物，就不得不提到競(jìng)態(tài)條件這個(gè)術(shù)語(yǔ)。 

什么是競(jìng)態(tài)條件

競(jìng)態(tài)條件的官方定義是如果程序的執(zhí)行順序改變會(huì)影響結(jié)果，它就屬于一個(gè)競(jìng)態(tài)條件 [3]。

在智能合約中，競(jìng)態(tài)條件漏洞被攻擊者利用后，攻擊者利用一個(gè)與存在漏洞合約平起平坐的外部合約競(jìng)爭(zhēng)奪取控制權(quán)，改變?cè)撝悄芎霞s的行為。

用一個(gè)形象的比喻來(lái)說(shuō)明，將智能合約理解成一條高速公路，所有函數(shù)和功能理解為車輛，原本的執(zhí)行順序規(guī)定了車輛經(jīng)過(guò)的順序，此時(shí)一名熟練的老司機(jī)，駕駛著GTR在彎道超車加塞，擾亂了整個(gè)道路的秩序，搶占了在道路中的領(lǐng)先地位，進(jìn)而為所欲為，戲耍合約規(guī)則。

以太坊智能合約的特點(diǎn)之一是能夠調(diào)用和利用其它外部合約的代碼，調(diào)用外部合約主要存在的危險(xiǎn)就是外部合約可以接管控制流，并對(duì)調(diào)用函數(shù)不期望的數(shù)據(jù)進(jìn)行更改。這類漏洞有多種形式，我們?cè)谶@里深度解析重入和交易順序依賴兩種。

競(jìng)態(tài)條件漏洞分析及詳細(xì)修復(fù)建議

1.   重入漏洞(Reentrancy)

問(wèn)題描述

合約通常用來(lái)處理 Ether，因此通常會(huì)將 Ether 發(fā)送給各種外部用戶地址。調(diào)用外部合約或?qū)⒁蕴W(wǎng)發(fā)送到地址的操作需要合約提交外部調(diào)用。這些外部調(diào)用可能被攻擊者劫持，迫使合約執(zhí)行進(jìn)一步的代碼（即通過(guò)回退函數(shù)），包括回調(diào)自身。因此代碼執(zhí)行"重新進(jìn)入"合約。這種攻擊被用于上述臭名昭著的DAO 攻擊。

我們把存在漏洞的合約簡(jiǎn)化成如下案例合約：

該合約有兩個(gè)函數(shù)：depositFunds()和withdrawFunds()，depositFunds()的功能是增加msg.sender的余額，withdrawFunds()的功能是取出msg.sender指定的數(shù)值為_(kāi)weiToWithdraw的Ether。

現(xiàn)在，一個(gè)攻擊者創(chuàng)建了下列合約：

PS:注意此處由于重入攻擊造成了balances[msg.sender]溢出，強(qiáng)烈推薦所有數(shù)學(xué)運(yùn)算都使用SafeMath進(jìn)行，這個(gè)要點(diǎn)我們?cè)诘谝黄谝绯雎┒粗幸呀?jīng)提到（敲黑板）。

我們來(lái)分析下該合約是如何進(jìn)行重入攻擊的：

1、假設(shè)普通用戶向原合約(Reentrancy.sol)存入15 ether；

2、攻擊者部署攻擊合約(POC.sol)，并調(diào)用setInstance()指向原合約部署地址；

3、攻擊者調(diào)用攻擊合約的depositEther()函數(shù)，預(yù)先向原合約預(yù)存1 ether，此時(shí)， 在原合約中，攻擊合約的地址有1 ether余額；

4、攻擊者調(diào)用攻擊合約的withdrawFunds()函數(shù)，該函數(shù)再調(diào)用原合約的withdrawFunds()函數(shù)，并傳參1 ether；

5、進(jìn)入原合約，withdrawFunds()函數(shù)的第一行require(balances[msg.sender] >= _weiToWithdraw);，攻擊合約地址下余額為1 ether，等于_weiToWithdraw，條件滿足，進(jìn)入下一行；

6、withdrawFunds()函數(shù)的第二行require(msg.sender.call.value(_weiToWithdraw)());，向msg.sender轉(zhuǎn)入_weiToWithdraw(此時(shí)是1 ether)，由于msg.sender是合約地址，solidity規(guī)定向合約地址接收到ether時(shí)如果未指定其他有效函數(shù)，那么默認(rèn)會(huì)調(diào)用合約的fallback函數(shù)，執(zhí)行流進(jìn)入攻擊合約，并調(diào)用攻擊合約的fallback函數(shù)，并且，因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)call.value()()方式發(fā)送以太幣，該方法會(huì)發(fā)送所有剩余gas；

7、進(jìn)入攻擊合約的fallback函數(shù)，if判斷原合約余額，此時(shí)為16 ether，條件滿足，再次"重入"原合約的withdrawFunds()函數(shù)；

8、再次進(jìn)入原合約的withdrawFunds()函數(shù)，因?yàn)閎alances[msg.sender] -= _weiToWithdraw;并未執(zhí)行，所以此時(shí)攻擊合約地址仍有1 ether，第一個(gè)require條件滿足，執(zhí)行到第二個(gè)require；

9、此后步驟6-8將一直重復(fù)，直到原合約余額少于1 ether或者gas耗盡；

10、最后進(jìn)入原合約，執(zhí)行balances[msg.sender] -= _weiToWithdraw;，注意，此處會(huì)從balances[msg.sender]中減去所有提取的ether，導(dǎo)致balances[msg.sender]溢出，如果此處使用SafeMath，可以通過(guò)拋出異常的方式避免重入攻擊。

最終的結(jié)果是攻擊者只使用了1 ether，就從原合約中取出了所有的ether。

漏洞修復(fù)

1、 在可能的情況下，將ether發(fā)送給外部地址時(shí)使用solidity內(nèi)置的transfer()函數(shù)[4]，transfer()轉(zhuǎn)賬時(shí)只發(fā)送2300 gas，不足以調(diào)用另一份合約(即重入發(fā)送合約)，使用transfer()重寫(xiě)原合約的withdrawFunds()如下；

2、 確保狀態(tài)變量改變發(fā)生在ether被發(fā)送(或者任何外部調(diào)用)之前，即Solidity官方推薦的檢查-生效-交互模式(checks-effects-interactions);

3、 使用互斥鎖：添加一個(gè)在代碼執(zhí)行過(guò)程中鎖定合約的狀態(tài)變量，防止重入調(diào)用

接述事件回顧，重入在DAO攻擊中發(fā)揮了重要作用，最終導(dǎo)致了 Ethereum Classic（ETC）的分叉。有關(guān)The DAO原始漏洞的詳細(xì)分析，請(qǐng)參閱Phil Daian的文章。

2.    交易順序依賴攻擊

問(wèn)題描述

與大多數(shù)區(qū)塊鏈一樣，以太坊節(jié)點(diǎn)匯集交易并將其形成塊。一旦礦工解決了共識(shí)機(jī)制（目前Ethereum的 ETHASH PoW），這些交易就被認(rèn)為是有效的。解決該區(qū)塊的礦工也會(huì)選擇來(lái)自該礦池的哪些交易將包含在該區(qū)塊中，這通常是由gasPrice交易決定的。在這里有一個(gè)潛在的攻擊媒介。攻擊者可以觀察事務(wù)池中是否存在可能包含問(wèn)題解決方案的事務(wù)，修改或撤銷攻擊者的權(quán)限或更改合約中的對(duì)攻擊者不利的狀態(tài)。然后，攻擊者可以從這個(gè)事務(wù)中獲取數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建一個(gè)更高級(jí)別的事務(wù)gasPrice 并在原始之前將其交易包含在一個(gè)區(qū)塊中。

我們來(lái)看如下案例漏洞合約：

這個(gè)合約包含1000個(gè)ether，找到并提交正確答案的用戶將得到這筆獎(jiǎng)勵(lì)。當(dāng)一個(gè)用戶找出答案Ethereum!。他調(diào)用solve函數(shù)，并把答案Ethereum!作為參數(shù)。不幸的是，攻擊者可以觀察交易池中任何人提交的答案，他們看到這個(gè)解決方案，檢查它的有效性，然后提交一個(gè)遠(yuǎn)高于原始交易的gasPrice的新交易。解決該問(wèn)題的礦工可能會(huì)因攻擊者的gasPrice更高而先打包攻擊者的交易。攻擊者將獲得1000ether，最初解決問(wèn)題的用戶將不會(huì)得到任何獎(jiǎng)勵(lì)（合約中沒(méi)有剩余ether）。

漏洞修復(fù)

有兩類用戶可以進(jìn)行這種的提前交易攻擊。用戶（修改他們的交易的gasPrice）和礦工自己（他們可以按照他們認(rèn)為合適的方式重新排序交易）。一個(gè)易受第一類（用戶）攻擊的合約比一個(gè)易受第二類（礦工）攻擊的合約明顯更糟糕，因?yàn)榈V工只能在解決一個(gè)區(qū)塊時(shí)執(zhí)行攻擊，這對(duì)于任何針對(duì)特定區(qū)塊的單個(gè)礦工來(lái)說(shuō)都是不可能的。在這里，我將列出一些與他們可能阻止的攻擊類別相關(guān)的緩解措施。

可以采用的一種方法是在合約中創(chuàng)建限制條件，即gasPrice上限。這可以防止用戶增加gasPrice并獲得超出上限的優(yōu)先事務(wù)排序。這種預(yù)防措施只能緩解第一類攻擊者（任意用戶）的攻擊。在這種情況下，礦工仍然可以攻擊合約，因?yàn)闊o(wú)論gasPrice如何，他們都可以根據(jù)需要排序交易。

更可靠的方法是盡可能使用提交---披露方案(commit-reveal)。這種方案規(guī)定用戶使用隱藏信息（通常是散列）發(fā)送交易。在交易已包含在塊中之后，用戶發(fā)送一個(gè)交易解密已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)（披露階段）。此方法可防止礦工和用戶進(jìn)行前瞻性交易，因?yàn)樗麄儫o(wú)法確定交易內(nèi)容。然而，這種方法無(wú)法隱藏交易價(jià)值（在某些情況下，這是需要隱藏的有價(jià)值信息）。 ENS智能合約允許用戶發(fā)送交易，其承諾數(shù)據(jù)包括他們?cè)敢饣ㄙM(fèi)的以太數(shù)量。然后，用戶可以發(fā)送任意值的交易。在披露階段，用戶退還了交易中發(fā)送的金額與他們?cè)敢饣ㄙM(fèi)的金額之間的差額。

前事不忘，后事之師

DAO事件在當(dāng)時(shí)區(qū)塊鏈行業(yè)轟動(dòng)一時(shí)，損失之重，令無(wú)數(shù)投資人捶胸頓足，我們總結(jié)下來(lái)，為了防止類似的情況發(fā)生，開(kāi)發(fā)者應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1. 開(kāi)發(fā)過(guò)程中注意查閱Solidity或者其他官方語(yǔ)言中是否已給出相關(guān)內(nèi)置函數(shù)或者嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕换ツＪ剑缬袘?yīng)嚴(yán)格遵守，切不可異想天開(kāi)；

2. 勤于思考狀態(tài)變量有可能發(fā)生的意外，對(duì)有潛在問(wèn)題的狀態(tài)變量應(yīng)予以鎖定；

3. 綜合運(yùn)用gas限制以及披露方案，保障交易信息在合理的環(huán)節(jié)以合理的形式呈現(xiàn)。

區(qū)塊鏈時(shí)代的安全問(wèn)題都帶有互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展早期的影子，安全知識(shí)的遷移以及防范意識(shí)的提升將會(huì)是斬除隱患的利刃。

欲知后事，且看下回：底層函數(shù)調(diào)用險(xiǎn)象環(huán)生 外部功能慎用防患未然

引用：

[1]:  

https://courses.csail.mit.edu/6.857/2017/project/23.pdf

[2]:

http://baijiahao.baidu.com/s?id=1587206953375229861&wfr=spider&for=pc

[3]:

https://blog.csdn.net/Clifnich/article/details/78447524

[4]: 

https://blog.sigmaprime.io/solidity-security.html#race-conditions