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“以太坊智能合约设计缺陷问题”影响分析报告

2018/08/22

在审计各种智能合约之后,我发现了一类很有趣的问题,这类问题出现的原因不只是由于开发者的疏忽,也同样是因为智能合约本身的一些设计缺陷,在开发者不了解这些问题的基础上,就容易出现问题。

智能合约checklist系列文章:

“以太坊智能合约规范问题”影响分析报告

一、 简介

在知道创宇404区块链安全研究团队整理输出的《知道创宇以太坊合约审计CheckList》中,把“条件竞争问题”、“循环dos问题”等问题统一归类为“以太坊智能合约设计缺陷问题”。

“昊天塔(HaoTian)”是知道创宇404区块链安全研究团队独立开发的用于监控、扫描、分析、审计区块链智能合约安全自动化平台。我们利用该平台针对上述提到的《知道创宇以太坊合约审计CheckList》中“以太坊智能合约设计缺陷”类问题在全网公开的智能合约代码做了扫描分析。详见下文:

二、漏洞详情

1、条件竞争

2016年11月29号,Mikhail Vladimirov和Dmitry Khovratovich公开了一篇《ERC20 API: An Attack Vector on Approve/TransferFrom Methods》[1],在文章中提到了一个在ERC20标准中存在的隐患问题,条件竞争

这里举一个approve函数中会出现的比较典型的例子,approve一般用于授权,比如授权别人可以取走自己的多少代币,整个流程是这样的:

  • 1、用户A授权用户B 100代币的额度
  • 2、用户A觉得100代币的额度太高了,再次调用approve试图把额度改为50
  • 3、用户B在待交易处(打包前)看到了这笔交易
  • 4、用户B构造一笔提取100代币的交易,通过条件竞争将这笔交易打包到了修改额度之前,成功提取了100代币
  • 5、用户B发起了第二次交易,提取50代币,用户B成功拥有了150代币

想要理解上面这个条件竞争的原理,首先我们得对以太坊的打包交易逻辑有基础认识。

https://medium.com/blockchannel/life-cycle-of-an-ethereum-transaction-e5c66bae0f6e

简单来说就是

  • 1、只有当交易被打包进区块时,他才是不可更改的
  • 2、区块会优先打包gasprice更高的交易

所以当用户B在待打包处看到修改的交易时,可以通过构造更高gasprice的交易来竞争,将这笔交易打包到修改交易之前,就产生了问题。

以下代码就存在条件竞争的问题

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function approve(address _spender, uint256 _value) public returns (bool success){
allowance[msg.sender][_spender] = _value;
return true

2、循环Dos问题

在以太坊代码中,循环是一种很常见的结构,但由于以太坊智能合约的特殊性,在循环也有很多需要特别注意的点,
存在潜在的合约问题与安全隐患。

1) 循环消耗问题

在以太坊中,每一笔交易都会消耗一定的gas,而交易的复杂度越高,则该交易的gasprice越高。而在区块链上,每个区块又有最大gas消耗值限制,且在矿工最优化收益方案中,如果一个交易的gas消耗过大,就会倾向性把这个交易排除在区块外,从而导致交易失败。

所以,对于合约内的循环次数不宜过大,在循环中的代码不宜过于复杂。

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struct Payee {
address addr;
uint256 value;
}
Payee payees[];
uint256 nextPayeeIndex;
function payOut() {
uint256 i = nextPayeeIndex;
while (i < payees.length && msg.gas > 200000) {
payees[i].addr.send(payees[i].value);
i++;
}
nextPayeeIndex = i;
}

如果上述代码地址列表过长,就有可能导致交易失败。

2018年7月23日,seebug paper发表的《首个区块链 token 的自动化薅羊毛攻击分析》[3]中攻击合约就提到了这种gas优化方式。

2) 循环安全问题

在以太坊中,应该尽量避免循环次数受到用户控制,攻击者可能会使用过大的循环来完成Dos攻击。

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function distribute(address[] addresses) onlyOwner {
for (uint i = 0; i < addresses.length; i++) {
// transfer code
}
}

当攻击者通过不断添加address列表长度,来迫使该函数执行循环次数过多,导致合约无法正常维护,函数无法执行。

2016年,GovernMental合约代币被爆出恶意攻击[4],导致地址列表过长无法执行,超过1100 ETH被困在了合约中。

三、漏洞影响范围

使用Haotian平台智能合约审计功能可以准确扫描到该类型问题。

image.png-21.6kB

基于Haotian平台智能合约审计功能规则,我们对全网的公开的共39548 个合约代码进行了扫描,其中共24791个合约涉及到这类问题。

1、 条件竞争

截止2018年8月10日为止,我们发现了22981个存在approve条件竞争的合约代码,其中15325个合约仍处于交易状态,其中交易量最高的10个合约情况如下:
image.png-467.4kB

2、 循环Dos问题

截止2018年8月10日为止,我们发现了1810个存在潜在循环dos问题的合约代码,其中1740个合约仍处于交易状态,其中交易量最高的10个合约情况如下:

image.png-464.8kB

四、修复方式

1)条件竞争

关于这个问题的修复方式讨论很多,由于这属于底层特性的问题,所以很难在智能合约层面做解决,在代码层面,我们建议在approve函数中加入

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require((_value == 0) || (allowance[msg.sender][_spender] == 0));

将这个条件加入,在每次修改权限时,将额度修改为0,再将额度改为对应值。

在这种情况下,合约管理者可以通过日志或其他手段来判断是否有条件竞争发生,从风控的角度警醒合约管理者注意该问题的发生。范例代码如下:

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function approve(address _spender, uint256 _value) isRunning validAddress returns (bool success) {
require(_value == 0 || allowance[msg.sender][_spender] == 0);
allowance[msg.sender][_spender] = _value;
Approval(msg.sender, _spender, _value);
return true;
}

2)循环Dos问题

在面临循环Dos问题产生的场景中,最为常见的就是向多个用户转账这个功能。

这里推荐代码中尽量避免用户可以控制循环深度,如果无法避免的话,尽量使用类似withdrawFunds这种函数,循环中只分发用户提币的权限,让用户来提取属于自己的代币,通过这种操作可以大幅度节省花费的gas开支,也可以一定程度避免可能导致的问题。代码如下所示:

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function distribute(address[] addresses) onlyOwner {
for (uint i = 0; i < addresses.length; i++) {
if (address_claimed_tokens[addresses[i]] == 0) {
balances[owner] -= transferAmount;
balances[addresses[i]] += transferAmount;
address_claimed_tokens[addresses[i]] += transferAmount;
Transfer(owner, addresses[i], transferAmount);
}
}
}

五、一些思考

在分析了许多智能合约已有的漏洞以及合约以后,我发现有一类问题比较特殊,这些问题的诞生根本原因都是因为以太坊智能合约本身的设计缺陷,再加上开发者对此没有清晰的认识,导致了合约本身的一些隐患。

文章中提到的条件竞争是个比较特殊的问题,这里的条件竞争涉及到了智能合约底层实现逻辑,本身打包逻辑存在条件竞争,我们无法在代码层面避免这个问题,但对于开发者来说,比起无缘无故的因为该问题丢失代币来说,更重要的是合约管理者可以监控到每一笔交易的结果,所以我们加入置0的操作来提醒合约管理者、代币持有者该问题,尽量避免这样的操作发生。

而循环Dos问题就是一个针对开发者的问题,每一次操作就是一次交易,每次交易就要花费gas,交易越复杂花费的gas越多,而在区块链上,每个区块又有最大gas消耗值限制,且在矿工最优化收益方案中,如果一个交易的gas消耗过大,就会倾向性把这个交易排除在区块外,从而导致交易失败。这也就直接导致了在交易中,我们需要尽可能的优化gas花费,避免交易失败。

我们在对全网公开的合约代码进行扫描和监控时容易发现,有很大一批开发人员并没有注意到这些问题,其中条件竞争问题甚至影响广泛,有超过一半以上的公开代码都受到影响。

这里我们建议所有的开发者重新审视自己的合约代码,检查是否存在设计缺陷问题,避免不必要的麻烦以及安全问题。

六、REF

CATALOG
  1. 1. 一、 简介
  2. 2. 二、漏洞详情
    1. 2.1. 1、条件竞争
    2. 2.2. 2、循环Dos问题
      1. 2.2.1. 1) 循环消耗问题
      2. 2.2.2. 2) 循环安全问题
  3. 3. 三、漏洞影响范围
    1. 3.1. 1、 条件竞争
    2. 3.2. 2、 循环Dos问题
  4. 4. 四、修复方式
    1. 4.1. 1)条件竞争
    2. 4.2. 2)循环Dos问题
  5. 5. 五、一些思考
  6. 6. 六、REF