智能合約安全審計入門篇 : 重入漏洞

背景概述

看了一個關于學習 solidity 的站（https://solidity-by-example.org），里面講了關于 solidity 智能合約的很多漏洞，考慮到現在針對智能合約的攻擊事件頻頻發生，不法分子盜取的加密資產越來越多，我就想寫一些與智能合約安全審計相關的文章給想了解智能合約安全審計的入門者閱讀，讓一些對智能合約安全審計感興趣的初學者可以學到如何識別一些常見的漏洞和如何利用這些漏洞去做什么事情。這次我們就一起先看一個很經典的漏洞 —— 重入漏洞。

前置知識

重入漏洞相信大家都有所耳聞了，那么什么是重入漏洞呢？

以太坊智能合約的特點之一是合約之間可以進行相互間的外部調用。同時，以太坊的轉賬不僅僅局限于外部賬戶，合約賬戶同樣可以擁有以太并進行轉賬等操作，且合約在接收以太的時候會觸發 fallback 函數執行相應的邏輯，這是一種隱藏的外部調用。

Arbitrum鏈上智能合約創建總量突破100萬:金色財經報道，據 Dune Analytics 11 月 24 日數據顯示，以太坊 Layer2 網絡 Arbitrum 鏈上智能合約創建總量突破 100 萬，截至目前為 1,000,830 個。其他指標方面，當前 Arbitrum鏈上總鎖倉量跌至 22.46 億美元，鏈上賬戶創建總量為 196.8 萬個，交易總量達到 6660.4 萬筆，活躍賬戶數約為 155 萬個。[2022/11/24 8:02:47]

我們先給重入漏洞下個定義：可以認為合約中所有的外部調用都是不安全的，都有可能存在重入漏洞。例如：如果外部調用的目標是一個攻擊者可以控制的惡意的合約，那么當被攻擊的合約在調用惡意合約的時候攻擊者可以執行惡意的邏輯然后再重新進入到被攻擊合約的內部，通過這樣的方式來發起一筆非預期的外部調用，從而影響被攻擊合約正常的執行邏輯。

動態 | bZx使用管理員密鑰取消智能合約時間鎖功能:bZx 宣布已使用管理員密鑰移除了智能合約中的時間鎖，以應對最近頻繁發生的黑客套利事件。bZx 稱，一旦平臺通過測試，將會恢復時間鎖功能。據此前報道， bZx 最近頻繁遭受兩次黑客套利行為，兩次攻擊的主要是因為 Uniswap 的價格的劇烈變化最終導致資產的損失，這本該是正常的市場行為，但是通過惡意操縱市場，攻擊者可通過多種方式壓低價格，使項目方造成損失。[2020/2/19]

漏洞示例

好了，看完上面的前置知識我相信大家對重入漏洞都有了一個大致的了解，那么在真實的環境中開發者寫出什么樣的代碼會出現重入漏洞呢，下面我們來看一個比較典型的有重入漏洞的代碼:

漏洞分析

看到這里大家可能會有疑惑了，上面的代碼就是個普通的充提幣的合約，憑什么說他有重入攻擊呢？我們來看這個合約的 withdraw 函數，這個函數中的轉賬操作有一個外部調用（msg.sender.call{value: bal}），所以我們就可以認為這個合約是可能有重入漏洞的，但是具體能否產生危害還需要更深入的分析：

聲音 | IOHK首席執行官：智能合約模型已被打破:IOHK首席執行官Charles Hoskinson在最近的一次采訪中表示，在加密貨幣領域有一大群人要么認為PoS是龐氏騙局，要么認為Cardano的獨特風格是有缺陷的。現在智能合約模型已被打破，“人們認為整個應用程序都在區塊鏈上，”但事實上，這是一個面向服務的體系結構。（Ambcrypto）[2020/1/21]

1. 所有的外部調用都是不安全的且合約在接收以太的時候會觸發 fallback 函數執行相應的邏輯，這是一種隱藏的外部調用，這種隱藏的外部調用是否會造成危害呢？

2. 我們可以看到在 withdraw 函數中是先執行外部調用進行轉賬后才將賬戶余額清零的，那我們可不可以在轉賬外部調用的時候構造一個惡意的邏輯合約在合約執行 balance[msg.sender]=0 之前一直循環調用 withdraw 函數一直提幣從而將合約賬戶清空呢？

聲音 | 法學教授：智能合約不一定會擾亂傳統合同法:據cointelegraph報道，德國弗里德里希席勒大學法學教授Giesela Ruhl近日發文稱，智能合約不一定會擾亂傳統合同法，她認為智能合約與既定法律先例之間的摩擦可能被過分夸大了。智能合約將使商品和服務的交換不受國家法律的約束，但這一預期似乎沒有實現。事實上，合同法的經典問題也出現在當事人簽訂智能合約的時候。就像所有其他合約一樣，它需要法律來解決。因此，重要的不是智能合約是否應受法律約束，而是應受哪些法律的約束。[2019/1/24]

下面我們看看攻擊者編寫的攻擊合約中的攻擊手法是否與我們的漏洞分析相同：

攻擊合約

我們看到 EtherStore 合約是一個充提合約，我們可以在其中充提以太。下面我們將利用攻擊合約將 EtherStore 合約中用戶的余額清零的：

這里我們將引用三個角色，分別為：

用戶：Alice，Bob

攻擊者：Eve

1. 部署 EtherStore 合約；

2. 用戶 1（Alice）和用戶 2（Bob）都分別將 1 個以太幣充值到 EtherStore 合約中；

3. 攻擊者 Eve 部署 Attack 合約時傳入 EtherStore 合約的地址；

4. 攻擊者 Eve 調用 Attack.attack 函數，Attack.attack 又調用 EtherStore.deposit 函數，充值 1 個以太幣到 EtherStore 合約中，此時 EtherStore 合約中共有 3 個以太，分別為 Alice、Bob 的 2 個以太和攻擊者 Eve 剛剛充值進去的 1 個以太。然后 Attack.attack 又調用 EtherStore.withdraw 函數將自己剛剛充值的以太取出，此時 EtherStore 合約中就只剩下 Alice、Bob 的 2 個以太了；

5. 當 Attack.attack 調用 EtherStore.withdraw 提取了先前 Eve 充值的 1 個以太時會觸發 Attack.fallback 函數。這時只要 EtherStore 合約中的以太大于或等于 1 Attack.fallback 就會一直調用 EtherStore.withdraw 函數將 EtherStore 合約中的以太提取到 Attack 合約中，直到 EtherStore 合約中的以太小于 1 。這樣攻擊者 Eve 會得到 EtherStore 合約中剩下的 2 個以太幣（Alice、Bob 充值的兩枚以太幣）。

下面是攻擊者的函數調用流程圖：

修復建議

看了上面的攻擊手法相信大家對重入漏洞都會有一個自己的認知，但是只會攻擊可不行，我們的目的是為了防御，那么作為開發人員如何避免寫出漏洞代碼還有作為審計人員如何快速發現問題代碼呢，下面我們就以這兩個身份來分析如何防御重入漏洞和如何在代碼中快速找出重入漏洞：

（1）作為開發人員

站在開發者的角度我們需要做的是寫好代碼，避免重入漏洞的產生。

1. 寫代碼時需要遵循先判斷，后寫入變量在進行外部調用的編碼規范（Checks-Effects-Interactions）；

2. 加入防重入鎖。

下面是一個防重入鎖的代碼示例：

（2）作為審計人員

作為審計人員我們需要關注的是重入漏洞的特征：所有涉及到外部合約調用的代碼位置都是不安全的。這樣在審計過程中需要重點關注外部調用，然后推演外部調用可能產生的危害，這樣就能判斷這個地方是否會因為重入點而產生危害。

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