以太坊安全之EVM与短地址攻击 – 作者:知道创宇404实验室

前言

以太坊（Ethereum）是一个开源的有智能合约功能的公共区块链平台，通过其专用加密货币以太币（ETH）提供去中心化的以太坊虚拟机（EVM）来处理点对点合约。EVM（Ethereum Virtual Machine），以太坊虚拟机的简称，是以太坊的核心之一。智能合约的创建和执行都由EVM来完成，简单来说，EVM是一个状态执行的机器，输入是solidity编译后的二进制指令和节点的状态数据，输出是节点状态的改变。

以太坊短地址攻击，最早由Golem团队于2017年4月提出，是由于底层EVM的设计缺陷导致的漏洞。ERC20代币标准定义的转账函数如下：

function transfer(address to, uint256 value) public returns (bool success)

如果传入的 to 是末端缺省的短地址，EVM 会将后面字节补足地址，而最后的 value 值不足则用 0 填充，导致实际转出的代币数值倍增。

本文从以太坊源码的角度分析EVM底层是如何处理执行智能合约字节码的，并简要分析短地址攻击的原理。

EVM源码分析

evm.go

EVM 的源码位于 go-ethereum/core/vm/目录下，在 evm.go 中定义了 EVM 结构体，并实现了 EVM.Call、EVM.CallCode、EVM.DelegateCall、EVM.StaticCall 四种方法来调用智能合约，EVM.Call 实现了基本的合约调用的功能，后面三种方法与 EVM.Call 略有区别，但最终都调用 run 函数来解析执行智能合约

EVM.Call

// Call executes the contract associated with the addr with the given input as
// parameters. It also handles any necessary value transfer required and takes
// the necessary steps to create accounts and reverses the state in case of an
// execution error or failed value transfer.
//hunya// 基本的合约调用
func (evm *EVM) Call(caller ContractRef, addr common.Address, input []byte, gas uint64, value *big.Int) (ret []byte, leftOverGas uint64, err error) {
    if evm.vmConfig.NoRecursion && evm.depth > 0 {
        return nil, gas, nil
    }

   // Fail if we're trying to execute above the call depth limit
if evm.depth > int(params.CallCreateDepth) {
        return nil, gas, ErrDepth
    }
   // Fail if we're trying to transfer more than the available balance
if !evm.Context.CanTransfer(evm.StateDB, caller.Address(), value) {
        return nil, gas, ErrInsufficientBalance
    }

    var (
        to       = AccountRef(addr)
        snapshot = evm.StateDB.Snapshot()
    )
    if !evm.StateDB.Exist(addr) {
        precompiles := PrecompiledContractsHomestead
        if evm.chainRules.IsByzantium {
            precompiles = PrecompiledContractsByzantium
        }
        if evm.chainRules.IsIstanbul {
            precompiles = PrecompiledContractsIstanbul
        }
        if precompiles[addr] == nil && evm.chainRules.IsEIP158 && value.Sign() == 0 {
           // Calling a non existing account, don't do anything, but ping the tracer
if evm.vmConfig.Debug && evm.depth == 0 {
                evm.vmConfig.Tracer.CaptureStart(caller.Address(), addr, false, input, gas, value)
                evm.vmConfig.Tracer.CaptureEnd(ret, 0, 0, nil)
            }
            return nil, gas, nil
        }
        evm.StateDB.CreateAccount(addr)
    }
    evm.Transfer(evm.StateDB, caller.Address(), to.Address(), value)
   // Initialise a new contract and set the code that is to be used by the EVM.
// The contract is a scoped environment for this execution context only.
contract := NewContract(caller, to, value, gas)
    contract.SetCallCode(&addr, evm.StateDB.GetCodeHash(addr), evm.StateDB.GetCode(addr))

   // Even if the account has no code, we need to continue because it might be a precompile
start := time.Now()

   // Capture the tracer start/end events in debug mode
// debug模式会捕获tracer的start/end事件
if evm.vmConfig.Debug && evm.depth == 0 {
        evm.vmConfig.Tracer.CaptureStart(caller.Address(), addr, false, input, gas, value)

        defer func() {// Lazy evaluation of the parameters
evm.vmConfig.Tracer.CaptureEnd(ret, gas-contract.Gas, time.Since(start), err)
        }()
    }
    ret, err = run(evm, contract, input, false)//hunya// 调用run函数执行合约
// When an error was returned by the EVM or when setting the creation code
// above we revert to the snapshot and consume any gas remaining. Additionally
// when we're in homestead this also counts for code storage gas errors.
if err != nil {
        evm.StateDB.RevertToSnapshot(snapshot)
        if err != errExecutionReverted {
            contract.UseGas(contract.Gas)
        }
    }
    return ret, contract.Gas, err
}

EVM.CallCode

// CallCode executes the contract associated with the addr with the given input
// as parameters. It also handles any necessary value transfer required and takes
// the necessary steps to create accounts and reverses the state in case of an
// execution error or failed value transfer.
//
// CallCode differs from Call in the sense that it executes the given address'
// code with the caller as context.
//hunya// 类似solidity中的call函数，调用外部合约，执行上下文在被调用合约中
func (evm *EVM) CallCode(caller ContractRef, addr common.Address, input []byte, gas uint64, value *big.Int) (ret []byte, leftOverGas uint64, err error) {
    if evm.vmConfig.NoRecursion && evm.depth > 0 {
        return nil, gas, nil
    }

   // Fail if we're trying to execute above the call depth limit
if evm.depth > int(params.CallCreateDepth) {
        return nil, gas, ErrDepth
    }
   // Fail if we're trying to transfer more than the available balance
if !evm.CanTransfer(evm.StateDB, caller.Address(), value) {
        return nil, gas, ErrInsufficientBalance
    }

    var (
        snapshot = evm.StateDB.Snapshot()
        to       = AccountRef(caller.Address())
    )
   // Initialise a new contract and set the code that is to be used by the EVM.
// The contract is a scoped environment for this execution context only.
contract := NewContract(caller, to, value, gas)
    contract.SetCallCode(&addr, evm.StateDB.GetCodeHash(addr), evm.StateDB.GetCode(addr))

    ret, err = run(evm, contract, input, false)//hunya// 调用run函数执行合约
if err != nil {
        evm.StateDB.RevertToSnapshot(snapshot)
        if err != errExecutionReverted {
            contract.UseGas(contract.Gas)
        }
    }
    return ret, contract.Gas, err
}

EVM.DelegateCall

// DelegateCall executes the contract associated with the addr with the given input
// as parameters. It reverses the state in case of an execution error.
//
// DelegateCall differs from CallCode in the sense that it executes the given address'
// code with the caller as context and the caller is set to the caller of the caller.
//hunya// 类似solidity中的delegatecall函数，调用外部合约，执行上下文在调用合约中
func (evm *EVM) DelegateCall(caller ContractRef, addr common.Address, input []byte, gas uint64) (ret []byte, leftOverGas uint64, err error) {
    if evm.vmConfig.NoRecursion && evm.depth > 0 {
        return nil, gas, nil
    }
   // Fail if we're trying to execute above the call depth limit
if evm.depth > int(params.CallCreateDepth) {
        return nil, gas, ErrDepth
    }

    var (
        snapshot = evm.StateDB.Snapshot()
        to       = AccountRef(caller.Address())
    )

   // Initialise a new contract and make initialise the delegate values
contract := NewContract(caller, to, nil, gas).AsDelegate()
    contract.SetCallCode(&addr, evm.StateDB.GetCodeHash(addr), evm.StateDB.GetCode(addr))

    ret, err = run(evm, contract, input, false)//hunya// 调用run函数执行合约
if err != nil {
        evm.StateDB.RevertToSnapshot(snapshot)
        if err != errExecutionReverted {
            contract.UseGas(contract.Gas)
        }
    }
    return ret, contract.Gas, err
}

EVM.StaticCall

// StaticCall executes the contract associated with the addr with the given input
// as parameters while disallowing any modifications to the state during the call.
// Opcodes that attempt to perform such modifications will result in exceptions
// instead of performing the modifications.
//hunya// 与EVM.Call类似，但不允许执行会修改永久存储的数据的指令
func (evm *EVM) StaticCall(caller ContractRef, addr common.Address, input []byte, gas uint64) (ret []byte, leftOverGas uint64, err error) {
    if evm.vmConfig.NoRecursion && evm.depth > 0 {
        return nil, gas, nil
    }
   // Fail if we're trying to execute above the call depth limit
if evm.depth > int(params.CallCreateDepth) {
        return nil, gas, ErrDepth
    }

    var (
        to       = AccountRef(addr)
        snapshot = evm.StateDB.Snapshot()
    )
   // Initialise a new contract and set the code that is to be used by the EVM.
// The contract is a scoped environment for this execution context only.
contract := NewContract(caller, to, new(big.Int), gas)
    contract.SetCallCode(&addr, evm.StateDB.GetCodeHash(addr), evm.StateDB.GetCode(addr))

   // We do an AddBalance of zero here, just in order to trigger a touch.
// This doesn't matter on Mainnet, where all empties are gone at the time of Byzantium,
// but is the correct thing to do and matters on other networks, in tests, and potential
// future scenarios
evm.StateDB.AddBalance(addr, bigZero)

   // When an error was returned by the EVM or when setting the creation code
// above we revert to the snapshot and consume any gas remaining. Additionally
// when we're in Homestead this also counts for code storage gas errors.
ret, err = run(evm, contract, input, true)//hunya// 调用run函数执行合约
if err != nil {
        evm.StateDB.RevertToSnapshot(snapshot)
        if err != errExecutionReverted {
            contract.UseGas(contract.Gas)
        }
    }
    return ret, contract.Gas, err
}

run 函数前半段是判断是否是以太坊内置预编译的特殊合约，有单独的运行方式

后半段则是对于一般的合约调用解释器 interpreter 去执行调用

interpreter.go

解释器相关代码在 interpreter.go 中，interpreter 是一个接口，目前仅有 EVMInterpreter 这一个具体实现

EVMInterpreter 的 Run 方法代码较长，其中处理执行合约字节码的主循环如下：

大部分代码主要是检查准备运行环境，执行合约字节码的核心代码主要是以下3行

op = contract.GetOp(pc)
operation := in.cfg.JumpTable[op]
......
res, err = operation.execute(&pc, in, contract, mem, stack)
......

interpreter 的主要工作实际上只是通过 JumpTable 查找指令，起到一个翻译解析的作用

最终的执行是通过调用 operation 对象的 execute 方法

jump_table.go

operation 的定义位于 jump_table.go 中

jump_table.go 中还定义了 JumpTable 和多种不同的指令集

jump_table.go 中的代码同样只是起到解析的功能，提供了指令的查找，定义了每个指令具体的执行函数

instructions.go

instructions.go 中是所有指令的具体实现，上述三个函数的具体实现如下：

这三个函数的作用分别是从 input 加载参数入栈、获取 input 大小、复制 input 中的参数到内存

我们重点关注 opCallDataLoad 函数是如何处理 input 中的参数入栈的

opCallDataLoad 函数调用 getDataBig 函数，传入 contract.Input、stack.pop() 和 big32，将结果转为 big.Int 入栈

getDataBig 函数以 stack.pop() 栈顶元素作为起始索引，截取 input 中 big32 大小的数据，然后传入 common.RightPadBytes 处理并返回

其中涉及到的另外两个函数 math.BigMin 和 common.RightPadBytes 如下：

//file: go-thereum/common/math/big.go
func BigMin(x, y *big.Int) *big.Int {
    if x.Cmp(y) > 0 {
        return y
    }
    return x
}//file: go-ethereum/common/bytes.go
func RightPadBytes(slice []byte, l int) []byte {
    if l <= len(slice) {
        return slice
    }
   //右填充0x00至l位
padded := make([]byte, l)
    copy(padded, slice)

    return padded
}

分析到这里，基本上已经能很明显看到问题所在了

RightPadBytes 函数会将传入的字节切片右填充至 l 位长度，而 l 是被传入的 big32，即 32 位长度

所以在短地址攻击中，调用的 transfer(address to, uint256 value) 函数，如果 to 是低位缺省的地址，由于 EVM 在处理时是固定截取 32 位长度的，所以会将 value 数值高位补的 0 算进 to 的末端，而在截取 value 时由于位数不够 32 位，则右填充 0x00 至 32 位，最终导致转账的 value 指数级增大

测试与复现

编写一个简单的合约来测试

pragma solidity ^0.5.0;

contract Test {
    uint256 internal _totalSupply;

    mapping(address => uint256) internal _balances;

    event Transfer(address indexed from, address indexed to, uint256 value);

    constructor() public {
        _totalSupply = 1 * 10 ** 18;
        _balances[msg.sender] = _totalSupply;
    }

    function totalSupply() external view returns (uint256) {
        return _totalSupply;
    }

    function balanceOf(address account) external view returns (uint256) {
        return _balances[account];
    }

    function transfer(address to,uint256 value) public returns (bool) {
        require(to != address(0));
        require(_balances[msg.sender] >= value);
        require(_balances[to] + value >= _balances[to]);

        _balances[msg.sender] -= value;
        _balances[to] += value;
        emit Transfer(msg.sender, to, value);
    }
}

remix部署，调用transfer发起正常的转账

直接尝试短地址攻击，删去转账地址的后两位，会发现并不能通过，remix会直接报错

这是因为 web3.js 做了校验，web3.js 是用户与以太坊节点交互的媒介

源码复现

通过源码函数复现如下：

实际复现

至于如何完成实际场景的攻击，可以参考文末的链接 [1]，利用 web3.eth.sendSignedTransaction 绕过限制

实际上，web3.js 做的校验仅限于显式传入转账地址的函数，如 web3.eth.sendTransaction 这种，像 web3.eth.sendSignedTransaction、web3.eth.sendRawTransaction 这种传入的参数是序列化后的数据的就校验不了，是可以完成短地址攻击的，感兴趣的可以自己尝试，这里就不多写了

PS：文中分析的 go-ethereum 源码版本是 commit-fdff182，源码与最新版有些出入，但最新版的也未修复这种缺陷（可能官方不认为这是缺陷?），分析思路依然可以沿用

思考

以太坊底层EVM并没有修复短地址攻击的这么一个缺陷，而是直接在web3.js里对地址做的校验，目前各种合约或多或少也做了校验，所以虽然EVM底层可以复现，但实际场景中问题应该不大，但如果是开放RPC的节点可能还是会存在这种风险

另外还有一个点，按底层EVM的这种机制，易受攻击的应该不仅仅是transfer(address to, uint256 value)这个点，只是因为这个函数是ERC20代币标准，而且参数的设计恰好能导致涉及金额的短地址攻击，并且特殊的地址易构造，所以这个函数常作为短地址攻击的典型。在其他的一些非代币合约，如竞猜、游戏类的合约中，一些非转账类的事务处理函数中，如果不对类似地址这种的参数做长度校验，可能也存在类似短地址攻击的风险，也或者并不局限于地址，可能还有其他的利用方式还没挖掘出来。

参考

[1] 以太坊短地址攻击详解

https://www.anquanke.com/post/id/159453

[2] 以太坊源码解析：evm

https://www.jianshu.com/p/f319c78e9714

原文地址：https://paper.seebug.org/1296/

来源：freebuf.com 2020-08-19 11:55:33 by: 知道创宇404实验室