ERC20智能合约整数溢出系列漏洞披露

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从2016年The DAO被盗取6000万美元开始 ,到美链BEC价值归零 、BAI和EDU任意账户转帐 ,再到最近EOS漏洞允许恶意合约穿透虚拟机危害矿工节点 ,“智能合约”俨然成为区块链安全重灾区。“清华-360企业安全联合研究中心”团队在区块链安全方面进行了持续研究,开发了自动化漏洞扫描工具,近期发现了多个新型整数溢出漏洞,可造成超额铸币、超额购币、随意铸币、高卖低收、下溢增持等严重危害。

 

1.背景

智能合约作为区块链2.0的代表技术,适应于区块链去中心化、分布式的特点, 具有独立运行、不可篡改的优良特性,可用于实现包含金融工具在内的各类分布式应用。开发者可以自行定义交易逻辑并开发代码发布到链上,合约代码在矿工节点的虚拟机环境(如EVM)中执行。合约交易被打包进区块后,链上节点执行相同代码,从而同步改变链上数据状态。故合约的多方参与者无需建立信任,也无法相互欺骗。
与传统程序一样,智能合约无法避免地存在安全漏洞。而与传统程序不一样的是,合约运行在开放的区块链网络当中,可以被任意调用,而且合约的执行具有“不可更改”的效果,导致合约的漏洞被利用之后危害更大 。前面提到的BEC等合约中存在的整数溢出漏洞便是一个典型的例子,攻击者对漏洞的利用造成了数额惊人的损失。
整数溢出是一种常见的高危漏洞,曾引发许多严重事故。1996年阿丽亚娜5型运载火箭在发射37秒后解体并爆炸就是由于整数溢造成的 。整数溢出的原理是:计算机中整数变量有上下界,如果在算术运算中出现越界,即超出整数类型的最大表示范围,数字便会如表盘上的时针从12到1一般,由一个极大值变为一个极小值或直接归零。此类越界的情形在传统的软件程序中很常见,但是否存在安全隐患取决于程序上下文,部分溢出是良性的(如tcp序号等),甚至是故意引入的(例如用作hash运算等)。整数溢出漏洞检测和校验是有挑战性的,程序员极容易犯错,而自动化检测方法最大难点在于判断候选溢出是否真正导致了危害,以免造成大量的误报。

 

2.自动化挖掘

“清华-360企业安全联合研究中心” ChainTrust团队成员充分利用多年软件漏洞挖掘的经验,针对智能合约开发了自动化检测工具,可以高效挖掘高危整数溢出漏洞。检测工具通过准确构建整数溢出点的上下文语义,采用符号执行和污点分析等技术,有效区分了无害溢出和有害溢出,能够显著降低漏洞的误报率和漏报率。
截止目前,团队针对Etherscan上排名前470位的代币合约进行了检测,除去未提供源码、没有完整爬取源码或耗时过长的合约,最终完整分析了390份合约。在这些被分析的合约中,团队总共发现25个智能合约存在整数溢出安全问题,申请获得了5个CVE编号,主要包含下述6类新型危害。
团队成员在“全球EOS开发者大会”上对部分漏洞进行了首次披露。本报告将对漏洞情况进行详细披露,旨在推进社区的安全健康发展。

 

3.新型漏洞详情

3.1.underSell: 高卖低收(CVE-2018-11811)

管理员通过修改合约中的参数来制造溢出漏洞,导致用户提币转出token之后,却收不到ETH(或收到极少量ETH),造成用户经济损失。
漏洞实例:合约Internet Node Token (INT)
漏洞所在位置:红色标注的行L175
漏洞攻击效果:用户提币之后,无法得到对应数额的ETH;
漏洞原理:sellPrice被修改为精心构造的大数后,可导致amount sellPrice的结果大于整数变量(uint256)最大值,发生整数溢出,从而变为一个极小值甚至归零。该值在程序语义中是用于计算用户提币应得的ETH数量,并在L175进行了校验,但该值被溢出变为极小值之后可以逃逸L175的校验,并导致用户售出token后只能拿到少量的(甚至没有)ETH。

3.2.ownerUnderflow: 下溢增持(CVE-2018-11687)

管理员在特定条件下,通过调用合约中有漏洞的发币函数制造下溢,从而实现对自身账户余额的任意增加。
漏洞实例:合约Bitcoin Red(BTCR)
漏洞所在位置:红色标注的行L41
漏洞攻击效果:管理员执行了一个正常向某个地址进行发币的操作,实际已经暗中将自身账户的余额修改为了一个极大的数;
漏洞原理:distributeBTR()函数的本意是管理员给指定地址发放一定数额的token,并从自身账户减少对应的token数量。减少管理员账户余额的操作为balances[owner] -= 2000
108 ,运算的结果将被存到balances[owner]中,是一个无符号整数类型。当管理员余额本身少于2000 * 108时,减法计算结果为负值,解释为无符号整数即一个极大值。

3.3.mintAny: 随意铸币 (CVE-2018-11812)

管理员调用铸币函数给某个地址增加token时,利用溢出漏洞可以突破该函数只能增加token的限制,实际减少该地址的token数量,从而实现对任一账户余额的任意篡改(增加或减少)。在我们的检测中,有多达18个合约存在类似安全问题。
漏洞实例:合约PolyAi (AI)
漏洞所在位置:红色标注的行L132
漏洞攻击效果:管理员可以绕过合约限制,任意篡改所有地址的token余额;
漏洞原理:攻击者通过构造一个极大的mintedAmount,使得balanceOf[target] + mintedAmount发生整数溢出,计算结果变为一个极小值。

3.4. overMint: 超额铸币(CVE-2018-11809)

管理员通过构造恶意参数,可以绕过程序中规定的token发行上限,实现超额铸币。合约Playkey (PKT)存在此类漏洞,导致合约中的铸币上限形同虚设,从而发行任意多的token。此外,我们还发现Nexxus (NXX)、Fujinto (NTO)两个合约存在类似漏洞,这两个合约没有铸币上限限制,但同样的手段,可以溢出合约中一个用于记录已发币总量(totalSupply)的变量值,使其与市场中实际流通的总币数不一致。
漏洞实例:合约Playkey (PKT)
漏洞所在位置:红色标注的行L237
漏洞攻击效果:管理员可以篡改已发币总量(totalSupply)为任意值,并绕过合约中的铸币上限超额发行token;
漏洞原理:_value在函数调用时被设置为精心构造的极大值,使得totalSupply + _value计算结果溢出后小于tokenLimit,从而轻易绕过L237行的铸币上限检测。

3.5.allocateAny: 超额定向分配(CVE-2018-11810)

管理员通过制造溢出来绕过合约中对单地址发币的最大上限,可以对指定地址分配超额的token,使得对单地址的发布上限无效。
漏洞实例:合约LGO (LGO)
漏洞所在位置:红色标注的行L286
漏洞攻击效果:管理员绕过合约中规定的单地址发币上限,给指定地址分配超额的token;
漏洞原理: 一个极大的_amount可以使得算数加法运算holdersAllocatedAmount + _amount发生整数溢出,变为一个极小值,从而绕过L286的检测。

3.6.overBuy:超额购币(CVE-2018-11809)

买家如果拥有足够多的ETH,可以通过发送大量token制造溢出,从而绕过ICO发币上限,达到超额购币。
漏洞实例:合约EthLend (LEND)
漏洞所在位置:红色标注的行L236
漏洞攻击效果:调用者绕过合约中规定ICO的token容量上限,获得了超额购币;
漏洞原理:一个极大的_newTokens可以使得算数加法运算totalSoldTokens + newTokens发生整数溢出,变为一个极小值,从而绕过L236的检测。

 

4.漏洞列表

团队采用自动化工具分析了390份ERC20智能合约,除上述已披露的漏洞之外,共发现25个智能合约存在未知的整数溢出漏洞,详细情况如下表所示,出于对相关厂商安全的考虑,隐去了具体的漏洞位置、源代码等技术细节,相关厂商安全人员如有需求,可与研究团队联系(列表最右侧一列的类型编号对应上述分类,每种合约可能同时存在多种类型漏洞):

 

5.结论

智能合约之所以“智能”,是由于合约代码一旦上链,其执行效果完全由可见且不可篡改的代码来决定,而不用依赖于对任何参与方的信任。然而,由上述漏洞分析可见,智能合约并没有预期的“智能”,存在相当多的安全风险,尤其是管理员权限下,可能导致诸多严重的安全问题。仅仅通过整数溢出这一常见漏洞类型,管理员便能够任意篡改所有账户余额,恶意超额、甚至无上限铸币,背离合约白皮书的约定,这样的合约无法保证参与多方的公平性,更无谈智能。而管理员利用整数溢出进行作恶早已有先例,2018年2月初,基于以太坊的Monero Gold(XMRG) Token在交易所的价格先猛涨787%,后迅速暴跌至崩盘,造成大量用户经济损失 ,其背后就是管理团队利用预留的整数溢出漏洞进行超额铸币,并在交易所抛售造成恶性通货膨胀,最后价值几乎归零 。在区块链上运行的智能合约,本意是利用区块链不可篡改的特性来构建可信的执行环境,然而安全漏洞的存在就像一个个隐藏的定时炸弹,对智能合约的可信任基础带来了巨大的挑战。
在近一个月之前,团队已经发现上述安全漏洞,在评估了安全威胁之后第一时间反馈给相关厂商,并通知了交易所(如火币网),希望能够帮助厂商和交易所及时修补漏洞和杜绝安全隐患,多家厂商在得到通报后也积极做出了应急响应。

6.关于我们

清华-360企业安全联合研究中心(筹)是清华大学网络研究院和360企业安全集团共同成立的联合研究机构,结合清华大学和360企业安全集团在学术研究和产业服务中的优势,面向世界学术和技术前沿开展研究,服务于国家和社会对网络空间安全的战略需求。研究团队在漏洞挖掘与攻防领域有丰富的经验,团队在国际四大顶级安全会议中发表多篇论文,在世界学术和工业界有广泛的影响力,孕育了“蓝莲花”等国际知名黑客战队。
参考文献
【1】Explaining the DAO exploit for beginners in Solidity
【2】Building a safer crypto token
【3】EDU问题:还原EDU被黑客攻击始末:期货与现货的组合套现
【4】BAI 智能合约存在和 EDU 一样的漏洞,可转走任意账户里的 BAI Token
【5】EOS Node Remote Code Execution Vulnerability — EOS WASM Contract Function Table Array Out of Bounds
【6】区块链智能合约漏洞,想说补你不容易(干货)
【7】导致惨重代价的Bug
【8】Monero Gold – The story and tech specs of a 4 million USD shitcoin scam, brilliantly executed
【9】Monero Gold (XMRG) 价格,图表,市值,以及其他计量 | CoinMarketCap

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