solidity 语言全局变量及局部变量存储布局以及暴露的威胁

主体内容转自：https://paper.seebug.org/661/

 

核心点： 合约全局变量存储在storage中，局部变量一般存储在memory中。但因为solidity语言的变量存储有一个特性，即数组、映射、结构体类型的局部变量默认是引用合约的storage ，即若合约中包含未初始化的数组、映射、结构体类型的局部变量，可以通过他们覆盖存储在storage中的全局变量

PS: 局部变量为数组或者结构体的，为防止存储覆盖或者节省空间等需求，可以声明为memory类型；但映射（mapping）只可作为全局变量，在storage中存储

1 概述

随着区块链、以太坊技术的兴起和不断成熟，安全问题也随之而来，今年智能合约漏洞已经让多个区块链项目价值瞬间归零。智能合约的开发语言、设计模式、运行机制都与传统应用有较大差异，它既有传统的安全风险(如整数溢出等)，又有独特的新型风险(如私有变量不“私有”和特殊类型变量覆盖等)。研发人员如果不能深刻理解这些核心原理，则很容易编写出存在漏洞的智能合约；恶意合约也可以通过这种方法留下隐蔽漏洞，欺骗合约投资人并暗地里收割。本文以WCTF2018的一道智能合约漏洞赛题[1]为例，从solidity语言特性出发，深度解读以太坊智能合约漏洞原理和攻击利用。

2 漏洞合约分析

该合约是一个银行类合约，用户可以存入eth到该合约，并在存入到期之后取出。原题对该合约描述如下：

该合约中存在漏洞，攻击者利用漏洞可以盗取合约中的所有余额。漏洞涉及到整数溢出、变量覆盖以及由变量覆盖导致的变量相互影响。

合约源码如下：

要提取合约的全部合约余额，confiscate 函数是关键，但该函数调用成功必须满足：

• msg.sender == owner

• secret == _secret

• now >= balances[account].deposit_term + 1 years

攻击者可以通过合约存储访问、整数溢出和变量覆盖来依次构造上述条件。

2.1 solidity全局变量存储

在BelluminarBank合约中，一共有4个全局变量，分别是balances、head、owner、secrete。它们的默认访问属性是private，看上去只有合约自己能够访问这些变量。事实上，合约的所有变量数据都是公开存储在链上的区块中，任何人都可以通过访问存储数据来获得这些变量的值[2]。在solidity语言中，全局变量都存储在storage中，根据solidity的变量存储规则，定长的变量在storage中是顺序存储的，数组变量在storage中其索引位置存放的是其数组长度（参见[3]）。该合约storage中的变量存储布局如下：

对于在公链部署的合约，可通过以太坊web3接口web3.eth.getStorageAt(co ntractAddress, index)获取某个合约指定storage索引的数据。

因此，secrete并不是一个不可获取的私有数据，攻击者只需要访问该合约storage中的数据就可以构造confiscate 函数的secret == _secret条件。

2.2 solidity全局变量覆盖

BelluminarBank合约中的confiscate函数要求调用者必须是合约拥有者才可以进行余额提取操作，看上去攻击者是无法提取的。然而，由于solidity语言的局部变量存储特性，导致本合约的owner变量可以被修改，覆盖问题出现在 invest 函数中。

首先来看solidity局部变量覆盖全局storage的问题。solidity语言的变量存储有一个特性，即数组、映射、结构体类型的局部变量默认是引用合约的storage [4]，而全局变量默认存储在storage中。因此，如果这些局部变量未被初始化，则它们将直接指向storage，修改这些变量就是在修改全局变量。

以如下的简单合约test为例，函数test1中定义了一个局部结构体变量x，但是没有对其进行初始化。根据solidity的变量存储规则，这时候x是存储在storage中的，而且是从索引0开始，那么对其成员变量x,y赋值之后，刚好覆盖了全局变量a和b。有兴趣可以在 remix 中在线对本合约进行调试。

pragma solidity 0.4.24;

contract test {

    struct aa{

        uint x;

        uint y;

    }

    uint public a = 4;

    uint public b = 6;

    function test1() returns (uint){

        aa x;

        x.x = 9;

        x.y = 7;

    }

}

在invest函数的else分支中，使用了一个局部结构变量investment。该局部变量在当前执行分支中并没有被初始化，默认指向合约的storage。执行中对该变量的成员赋值就会直接覆盖全局变量，覆盖关系为：

同时，在变量覆盖之前必须满足如下条件，即存款期限是最末一个存款记录的期限后一年：deposit_term >= balances[balances.length - 1].deposit_term + 1 years。由于deposit_term是用户提供的，轻松就可以满足。

所以，通过精心构造invest函数的参数就可以覆盖stroage中的sender，从而改变该合约的拥有者为攻击者，突破confiscate 函数的msg.sender == owner限制。

2.3 整数溢出

在BelluminarBank合约源码的confiscate函数还有另外一个如下的时间限制，即必须在存款满一年后才能提取，now >= balances[account].deposit_term + 1 years。

上一节用于全局变量覆盖的存款操作使得balances中最末一个存储记录的期限已经是1年后，即攻击者至少在2年后才能调用confiscate函数进行提款。与此同时，deposit_term在赋值给局部变量的时候会把全局变量head覆盖为超大的数，这也使得后续的for (uint256 i = head; i <= account; i++)循环处理无法提取全部的存款，因为head不为0。

显然，必须把head覆盖为0才能提取全部的存款，即invest函数的deposit_term参数必须为0。但如果该参数为0，又无法满足invest函数的全局变量覆盖执行的条件deposit_term >= balances[balances.length - 1].deposit_term + 1 years。

仔细分析可发现，如果balances[balances.length - 1].deposit_term+ 1 years恰好等于0，则上述的条件恒为真。显然，balances[balances.length - 1].deposit_term只要取值为(uint256_max – 1 years + 1)，就会导致相加后的值为uint256_max+1。这个结果会超过uint256的表达空间，产生溢出导致最后的值为0。

因此，攻击者先做第一次存款，把balances最后一项的deposit_term设置为特殊值；然后做第二次存款，deposit_term传入0值，就能触发整数溢出，绕过变量覆盖条件限制并修改head为0值。

2.4 “变量纠缠”的副作用

在全局变量覆盖中，很容易产生“变量纠缠”现象，从而触发一些容易被忽视的副作用。这里以一个简单合约test为例，函数testArray中依然存在结构体局部变量a覆盖全局变量x的情况。但由于x是数组变量，其直接索引的storage存储位置仅存储其数组长度，也就是a.x只会覆盖x的数据长度，而a.y将覆盖变量num。

在testArray函数中，赋值操作a.x = 5时，因为x.length与变量a.x处于同一存储位置，赋值后数组x的长度变成了5。接下来，赋值a.y，并将变量a加入到数组x。所以变量a实际上加入到了数组x索引为5的位置。如果调试testArray函数执行，会发现在函数执行完毕之后，x[5].x = 6, x[5].y = 7。

这是为什么呢？明明代码中赋值写的是 a.x = 5，a.y = 7。这就是全局变量x和局部变量a形成了“纠缠”，首先是局部变量a修改导致全局变量x改变，然后是全局变量x修改导致了局部变量修改，最后把修改后的局部变量又存储到修改后的全局变量。这里即是，赋值操作a.x = 5时，把数组x的长度变成了5; 接下来x.push操作，实际上是先将该数组x的长度加1，此时a.x = 6; 最后再把a.x = 6, a.y=7加入到x[5]。所以，存入数据的x就是新数组的长度6。

pragma solidity 0.4.24;

contract test {

    struct aa{

        uint x;

        uint y;

    }

    aa [] x;

    uint public num = 4;



    function testArray() returns (uint){

        aa a;

        a.x = 5;

        a.y = 7;

        x.push(a);

    }

}

3 漏洞利用方式

在第2节中对合约 BelluminarBank存在的几个漏洞进行了分析，下面将说明如何利用这个漏洞提取合约的全部余额，这里在Remix在线编译环境中部署该合约，并演示其利用方式。

首先部署合约，在部署参数中设置secrete 为“0x01”，deposit_term为1000，msg.value为 31337 wei。

部署合约后，合约的全局变量如下图所示：

这样，合约目前的余额是 31337 wei，合约拥有者的地址为：0xca35b7d915458ef54 0ade6068dfe2f44e8fa733c。

下面开始需要构造条件使得攻击者可以成功调用confiscate函数。

步骤1: 覆盖owner并构造整数溢出条件

要想转走合约余额，首先必须修改合约的owner。利用局部结构体 investment 修改合约owner，需满足条件：

1. account < head or account >= balances.length

2. deposit_term >= balances[balances.length – 1].deposit_term + 1 years

设置攻击者（0x1472…160C）的invest调用参数如下：

• msg.value = 1 wei (因为在合约初始化时owner已经存入一笔金额，所以此时balances数组长度为1，为了不改变balances数组长度，这里依然将其设置为1 we i

• depositsit_term = 2^256 - 1 years = 115792089237316195423570985008687907853269984665640564039457584007913098103936 （在步骤2中需要利用这个数值构造溢出，同时这个值可以使源码中 require 条件得到满足）

• account = 1 (满足条件 account >= balances.length)

调用之后，新的存款记录数据将存放在balances数组索引为1的位置。此时的balances数组情况和全局storage变量情况如下图所示。

可以发现，owner已经修改为攻击者地址，同时head被传入的deposit_term覆盖为一个超大值。

而提取余额是从balances数组中head索引开始的存款记录开始计算数额的。显然，为了提取到合约owner的余额，即balances[0]账户的余额，head必须被覆盖为0。因此，需要进行第二次storage变量覆盖，修改head。

步骤2: 恢复head并绕过deposit_term限制

继续设置攻击者调用invest的参数：

• msg.value = 2wei (同样保证balances的长度覆盖后不出现错误)

• deposit_term = 0: 恢复head

• account = 2 (满足条件 account >= balances.length 即可)

因为在步骤 1 中，已经将balances[1].deposit_term 设置为 2^256 -1 years，因此在第二次调用 invest 函数时，由于balances[balances.length - 1].deposit_term + 1 years”溢出为0满足了require条件，所以可以成功进行第二次覆盖。

这样即满足了调用confiscate函数的条件msg.sender == owner，通过读取storage很容易获得secrete，条件secret == _secret 也可以满足，同时还重新覆盖了head使之变为0 。

覆盖之后全局storage变量和balances数组如下图所示：

可以发现head已经修改为0了。

现在来看看第三个条件：

now >= balances[account].deposit_term + 1 years

account是传入的数据，目前合约中account数量为3。在前面的invest调用后， balances[2].deposit_term = 0。 显然条件 now >= balances[2].deposit_term + 1 years 成立，所以在恢复head数据的同时，也绕过了confiscate函数中对于存款期限的判定。接下来只要调用函数confiscate时，设置account 为 2，便可使时间判断条件满足，同时也能提取所有账户的余额。

步骤3: 增加合约余额

经过步骤1和步骤2，仿佛攻击者已经可以调用confiscate函数提取所有余额了，然而实际上是不行的。交易会发生回滚，这是为什么呢？

仔细分析前面的数据就会发现，步骤1中msg.value为 1 wei，但是最后balances数组中的balances[1].amount 却变成了 2 wei。这是因为变量覆盖过程中产生了“纠缠”副作用，由于msg.value覆盖balances数组的长度，balances更新前增加了数组长度，数组长度又改变了msg.value，最后导致存入的amount变成了新的数组长度，即2。

所以，每次调用invest函数进行变量覆盖，存款记录的账目金额都比调用者实际支付的msg.value大。下图是两次调用invest之后的balances数组情况。

从图中可以看出，存款记录中的账面值会比实际交易的msg.value多 1 wei。通过confiscate函数计算得到的所有账户总额为31342 wei，而实际的合约账户总余额为 31340 wei。

为了能够将合约中所有余额提取出来，需要增加合约的真实余额，使其同存款记录中的余额相等。然而，通过invest方式增加的余额都会被计入账面余额，那么怎么在不通过invest函数的情况下增加合约的真实余额呢？

答案是selfdestruct函数。

selfdestruct函数会将该合约的余额转到指定账户，然后从区块链中销毁该合约的代码和storage。该函数的官方文档说明[5]如下：

因此，可以构造一个合约，然后在合约中调用selfdestruct函数将合约的余额转给BelluminarBank合约。为此，构造如下合约：

contract donar{

    function donar() public payable{

        selfdestruct(contractAddr);

    }

}

该合约创建后马上销毁，同时将自己的余额转给银行合约。

在 remix 中 编译该合约，同时将 contractAddr替换为银行合约地址。然后 在deploy该合约时，设置 msg.value 为2 wei。当合约创建又销毁之后，其余额（2wei）将转给银行账户，使银行合约的账面余额和实际余额一致，这样confiscate函数调用就能够正确执行。

Donar合约部署设置如下：

合约部署完之后，BelluminarBank 合约余额如下图：

步骤4：调用confiscate提取合约余额

经过上面的操作之后，设置confiscate函数的参数为[2，“0x01”]即可将合约的全部余额转走。

参考链接

1. https://github.com/beched/ctf/tree/master/2018/wctf-belluminar

2. https://solidity.readthedocs.io/en/v0.4.24/security-considerations.html#private-information-and-randomness

3. https://medium.com/aigang-network/how-to-read-ethereum-contract-storage-44252c8af925

4. http://solidity.readthedocs.io/en/v0.4.24/frequently-asked-questions.html

5. https://solidity.readthedocs.io/en/v0.4.24/introduction-to-smart-contracts.html?highlight=selfdestruct