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合约之熵,安全之殇 | 成都链安漏洞分析连载第十期 —— 区块参数依赖

发布时间:2018-09-30  作者:链安科技  来源:本站原创  
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  针对区块链安全问题,成都链安科技团队每一周都将出智能合约安全漏洞解析连载,希望能帮助程序员写出更加安全牢固的合约,防患于未然。


  引子: 橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳,叶徒相似,其实味不同。所以然者何?水土异也。 -- 《晏子春秋·杂下之十》


  前情提要


  上回说到,合约安全隐私未必,外部读取暴露无遗。


  只要是储存在storage里面,存在于区块链上的变量,尤其是状态变量,由于区块链公开的特性,都是可以通过不执行合约直接从外部读取的。因此,将隐私信息,不可公开的数据储存在智能合约中是非常不安全的做法。即使进行有意或者无意的此类操作,都要及时附加相应的加密处理,避免因为对于可见性说明符的片面理解而留下安全隐患。全面理解代码技术细节,融会贯通互联网安全知识,才能安全应用区块链技术。


  本期话题


  第十回,机制依赖参数主导,矿工操纵投机取巧


  山竹过境,气候入秋,想必大家都感受到了久违的一丝凉意,这倒也与区块链产业的“寒冬”有些应景。不过更令人心寒的还是近期以太坊游戏的事故频发。例如,FOMO3D最近的第二次开奖,获奖者仍然是黑客,使用的手段依然是我们在第六期游戏合约漏洞总结当中提到的“类似竞态条件利用的阻塞交易手法”。还有我们之前在快讯中提到的Mycryptochamp这个游戏,其随机数(或者说熵的变量)生成机制依赖的是可预测的参数,导致投机者轻易获取空投,影响游戏公平性。


  这些游戏的机制都依据以太坊的特性来设计随机数的产生,但是设计理念却是在没有理解这些特性的基本原理来定制的。因此如火如荼短时间炒作后,在无法实现公平游戏的情况下“迅速降温”。本期,我们将重点分析游戏过于依赖区块参数设计而产生的两种漏洞 -- 时间戳依赖和区块哈希依赖。


  基础小知识


  n什么是区块参数?


  以太坊的实现机制与比特币有很大的差别,以太坊的每个区块头多了一些以太坊自身特殊的字段,用来表示区块的属性值,以太坊智能合约可以通过以太坊提供的接口读取这些属性值:


  ·block.blockhash(uint blockNumber) returns (bytes32):指定区块的区块哈希--仅可用于最新的 256 个区块且不包括当前区块;而 blocks 从 0.4.22 版本开始已经不推荐使用,由 blockhash(uint blockNumber) 代替


  ·block.coinbase (address): 挖出当前区块的矿工地址


  ·block.difficulty (uint): 当前区块难度


  ·block.gaslimit (uint): 当前区块 gas 限额


  ·block.number (uint): 当前区块号


  ·block.timestamp (uint): 自 unix epoch 起始当前区块以秒计的时间戳


  ·now (uint): 目前区块时间戳(block.timestamp)


  需要注意的是:在同一个块中,每笔交易读取的区块参数都是一样的


  n什么是熵?


  熵(entropy)的概念最早起源于物理学,用于度量一个热力学系统的无序程度。在信息论里面,熵是对不确定性的测量。


  所以在以太坊中,熵(entropy)也就是我们所说的随机性(randomness)。


  对于一个以随机性为核心的游戏合约,熵的变量的计算尤为重要。


  事故频发,问题凸显


  上面讲到的MyCryptoChamp体现,其合约中RandMod函数使用私有变量randNonce和父块哈希作为参数生成随机数。任何人都可以用web3.eth.getStorageAt()函数外部读取私有变量randNonce(我们在上一期期已经阐述过详细方法),而父块哈希(blockhash(uint blockNumber))在合约内外都可以读取到。这样产生随机数的计算方法就已经被看破,投机者只需在计算出较理想的随机数时加入游戏即可获得空投。


  除此之外,国外已有专业人士Arseny Reutov分析了3649份智能合约,发现有43份存在类似的可被利用的漏洞,并将此类情况称为假随机数生成漏洞(PRNG)。


  如此看来,将区块参数与熵联系起来运用到游戏设计(尤其是博弈类游戏)并不是个例。需要思考的是,以太坊的区块参数能不能可靠的运用于熵。


  以太坊没有提供类似于传统编程语言的rand()函数。于是实现去中心化的熵已经成为一个颇具规模的问题,许多人参与了这个问题的考究,甚至连V神自己也发表了一片文档提出了一些完善计划,例如使用RanDAO或者私有随机(private randomness)。具体请见这篇文档<https://vitalik.ca/files/randomness.html>。


  所以,区块参数能够可靠的用于设计锁仓功能,但是放在随机数生成设计当中,它的地位相当不可靠,形象的来说,同样的橘树,生长在淮南长出甜的橘,生长在淮北长出苦的枳。


0.jpg


  区块参数依赖漏洞反例


  一、时间戳依赖


  数据块时间戳(block.timestamp)历来被用于各种应用,例如随机数的函数,锁定一段时间的资金以及时间相关的各种状态变化的条件语句。矿工有能力稍微调整时间戳,如果在智能合约中使用错误的块时间戳,这可能会证明是相当危险的。


  block.timestamp或者别名now可以由矿工操纵,如果他们有这样做的动机。


  例如下面这个简单的游戏合约.


1.png


  这份合约表现得像一个简单的彩票。每块一笔交易可以打赌10 ether赢得合约余额的机会。这里的假设是,block.timestamp关于最后两位数字是均匀分布的。如果是这样,那么将有1/15的机会赢得这个彩票。 但是,正如我们所知,矿工可以根据需要调整时间戳。在这种特殊情况下,如果合约中有足够的ether,解决某个区块的矿工将被激励选择一个block.timestamp % 15 == 0或now % 15 == 0的时间戳。在这样做的时候,他们可能会赢得这个合约以及块奖励。由于每个区块只允许一个人下注,所以这也容易受到前置交易攻击。


  在实践中,块时间戳是单调递增的,所以矿工不能选择任意块时间戳(它们必须大于其前辈)。但是它们也限制在将来设置不太远的块时间,因为这些块可能会被网络拒绝(节点不会验证其时间戳在未来的块)。


  二、区块哈希依赖


  在一些赌博游戏合约中,使用区块头相关的参数来产生随机数:区块号(block.number)、区块时间戳(block.timestamp)、区块难度(block.difficulty)、区块gas限制(block.gaslimit)等。当以太坊上矿工挖出一个区块时,此时区块头的相关参数就可以被矿工获知,一些恶意挖矿的矿工可以利用这些区块参数进行攻击。


  例如下面这个游戏合约


2.png


  一个实现轮盘赌博的智能合约中,其逻辑是如果下一个块哈希值以偶数结尾,则返回一个黑色数字。一个矿工(或矿池)可以在黑色上下注100万美元。如果他们挖出下一个区块并发现区块哈希值以奇数结尾,他们会丢弃该块、继续挖矿、直到他们挖出一个块哈希值为偶数的块,从而从漏洞合约中获利。


  漏洞修复


  随机数生成的方法有很多,并不一定要依赖区块参数,下面介绍两种理念防范矿工或者投机者。


  1.随机数的来源尽量来自于区块链之外,这可以在具有诸如commit-reveal之类的系统的对等体之间完成。


  2.通过将信任模型改变为一组参与者(例如在RandDAO <https://github.com/randao/randao>)来完成。 这也可以通过中心化的实体来完成,该实体充当随机预言。


  3.根据Solidity官方建议,合约开发者可以使用链外的第三方服务,比如Oraclize来获取随机数。


  总的来说,块变量(一般来说,有一些例外)不应该用于随机种子,因为它们可以被矿工操纵。


  问渠哪得清如许?为有源头活水来


  这些漏洞,类似事件,惨烈教训,对区块链产业进入寒冬负有不可推卸的责任,从技术角度不断加强对于新知识的正确理解与使用,提高智能合约的安全性是让这个产业冰消雪融,让项目方、参与方合力破冰前行的唯一希望。望各位学而思之、思而践之、践而悟之。


  引用:


  [1]: Entropy Illusion:


  <https://hackernoon.com/hackpedia-16-solidity-hacks-vulnerabilities-their-fixes-and-real-world-examples-f3210eba5148>


  [2]: Predicting Random Numbers in Ethereum Smart Contracts: <https://blog.positive.com/predicting-random-numbers-in-ethereum-smart-contracts-e5358c6b8620>


  [3]: Validator Ordering and Randomness in PoS: <https://vitalik.ca/files/randomness.html>


  [4]: RANDAO: A DAO working as RNG of Ethereum: <https://github.com/randao/randao>


  [5]: 智能合约随机数算法漏洞影响游戏公平性: <https://mp.weixin.qq.com/s/fnp980bzQjRqNEVuj518lA>


  [6]: 深入理解Solidity:


  https://solidity-cn.readthedocs.io/zh/develop/units-and-global-variables.html#index-2 <https://solidity-cn.readthedocs.io/zh/develop/units-and-global-variables.html>


  : 什么是熵(entropy)?<https://blog.csdn.net/qq_39521554/article/details/80559531>


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