ERC20智能合約整數溢出系列漏洞披露

陳力波，殷婷婷，倪遠東，張 超

(清華-360企業安全聯合研究中心(籌)，北京 100015)

0 引言

智能合約作為區塊鏈2.0的代表技術，適應于區塊鏈去中心化、分布式的特點，具有獨立運行、不可篡改的優良特性，可用于實現包含金融工具在內的各類分布式應用。開發者可以自行定義交易邏輯并開發代碼發布到鏈上，合約代碼在礦工節點的虛擬機環境(如EVM)中執行。合約交易被打包進區塊后，鏈上節點執行相同代碼，從而同步改變鏈上數據狀態。故合約的多方參與者無需建立信任，也無法相互欺騙。

與傳統程序一樣，智能合約無法避免地存在安全漏洞。而與傳統程序不一樣的是，合約運行在開放的區塊鏈網絡當中，可以被任意調用，而且合約的執行具有“不可更改”的效果，導致合約的漏洞被利用之后危害更大[6]。前面提到的BEC等合約中存在的整數溢出漏洞便是一個典型的例子，攻擊者對漏洞的利用造成了數額驚人的損失。

整數溢出是一種常見的高危漏洞，曾引發許多嚴重事故。1996年阿麗亞娜5型運載火箭在發射37 s后解體并爆炸就是由于整數溢造成的[7]。整數溢出的原理是：計算機中整數變量有上下界，如果在算術運算中出現越界，即超出整數類型的最大表示范圍，數字便會如表盤上的時針從12到1一般，由一個極大值變為一個極小值或直接歸零。此類越界的情形在傳統的軟件程序中很常見，但是否存在安全隱患取決于程序上下文，部分溢出是良性的(如TCP序號等)，甚至是故意引入的(例如用作hash運算等)。整數溢出漏洞檢測和校驗是有挑戰性的，程序員極容易犯錯，而自動化檢測方法最大難點在于判斷候選溢出是否真正導致了危害，以免造成大量的誤報。

1 自動化挖掘

“清華-360企業安全聯合研究中心” ChainTrust團隊成員充分利用多年軟件漏洞挖掘的經驗，針對智能合約開發了自動化檢測工具，可以高效挖掘高危整數溢出漏洞。檢測工具通過準確構建整數溢出點的上下文語義，采用符號執行和污點分析等技術，有效區分了無害溢出和有害溢出，能夠顯著降低漏洞的誤報率和漏報率。

截止到目前，團隊針對Etherscan上排名前470位的代幣合約進行了檢測，除去未提供源碼、沒有完整爬取源碼或耗時過長的合約，最終完整分析了390份合約。在這些被分析的合約中，團隊總共發現25個智能合約存在整數溢出安全問題，申請獲得了5個CVE編號，主要包含下述6類新型危害。

團隊成員在“全球EOS開發者大會”上對部分漏洞進行了首次披露。本報告將進行詳細披露，旨在推進社區的安全健康發展。

2 新型漏洞詳情

2.1 underSell:高賣低收(CVE-2018-11811)

管理員通過修改合約中的參數來制造溢出漏洞，導致用戶提幣轉出token之后，卻收不到ETH(或收到極少量ETH)，造成用戶經濟損失。

漏洞實例：合約Internet Node Token (INT)。

漏洞所在位置：175行，如圖1所示。

圖1 高賣低收漏洞

漏洞攻擊效果：用戶提幣之后，無法得到對應數額的ETH。

漏洞原理：sellPrice被修改為精心構造的大數后，可導致amount * sellPrice的結果大于整數變量(uint256)最大值，發生整數溢出，從而變為一個極小值甚至歸零。該值在程序語義中是用于計算用戶提幣應得的ETH數量，并在175行進行了校驗，但該值被溢出變為極小值之后可以逃逸175行的校驗，并導致用戶售出token后只能拿到少量的(甚至沒有)ETH。

2.2 ownerUnderflow:下溢增持(CVE-2018-11687)

管理員在特定條件下，通過調用合約中有漏洞的發幣函數制造下溢，從而實現對自身賬戶余額的任意增加。

漏洞實例：合約Bitcoin Red(BTCR)

漏洞所在位置：41行，如圖2所示。

圖2 下溢增持漏洞

漏洞攻擊效果：管理員執行了一個正常向某個地址進行發幣的操作，實際已經暗中將自身賬戶的余額修改為了一個極大的數。

漏洞原理：distributeBTR()函數的本意是管理員給指定地址發放一定數額的token，并從自身賬戶減少對應的token數量。減少管理員賬戶余額的操作為balances[owner] -= 2000 * 10**8，運算的結果將被存到balances[owner]中，是一個無符號整數類型。當管理員余額本身少于2000 * 10**8時，減法計算結果為負值，解釋為無符號整數即一個極大值。

2.3 mintAny:隨意鑄幣(CVE-2018-11812)

管理員調用鑄幣函數給某個地址增加token時，利用溢出漏洞可以突破該函數只能增加token的限制，實際減少該地址的token數量，從而實現對任一賬戶余額的任意篡改(增加或減少)。在檢測中，有多達18個合約存在類似安全問題。

漏洞實例：合約PolyAi (AI)

漏洞所在位置：132行，如圖3所示。

圖3 隨意鑄幣漏洞

漏洞攻擊效果：管理員可以繞過合約限制，任意篡改所有地址的token余額。

漏洞原理：攻擊者通過構造一個極大的mintedAmount，使得balanceOf[target] + mintedAmount發生整數溢出，計算結果變為一個極小值。

2.4 overMint:超額鑄幣(CVE-2018-11809)

管理員通過構造惡意參數，可以繞過程序中規定的token發行上限，實現超額鑄幣。合約Playkey (PKT)存在此類漏洞，導致合約中的鑄幣上限形同虛設，從而發行任意多的token。此外，還發現Nexxus (NXX)、Fujinto (NTO)兩個合約存在類似漏洞，這兩個合約沒有鑄幣上限限制，但同樣的手段，可以溢出合約中一個用于記錄已發幣總量(totalSupply)的變量值，使其與市場中實際流通的總幣數不一致。

漏洞實例：合約Playkey (PKT)

漏洞所在位置：237行，如圖4所示。

圖4 超額鑄幣漏洞

漏洞攻擊效果：管理員可以篡改已發幣總量(totalSupply)為任意值，并繞過合約中的鑄幣上限超額發行token。

漏洞原理：_value在函數調用時被設置為精心構造的極大值，使得totalSupply + _value計算結果溢出后小于tokenLimit，從而輕易繞過237行的鑄幣上限檢測。

2.5 allocateAny:超額定向分配(CVE-2018-11810)

管理員通過制造溢出來繞過合約中對單地址發幣的最大上限，可以對指定地址分配超額的token，使得對單地址的發布上限無效。

漏洞實例：合約LGO (LGO)

漏洞所在位置：286行，如圖5所示。

圖5 超額定向分配漏洞

漏洞攻擊效果：管理員繞過合約中規定的單地址發幣上限，給指定地址分配超額的token。

漏洞原理：一個極大的_amount可以使得算數加法運算holdersAllocatedAmount + _amount發生整數溢出，變為一個極小值，從而繞過286行的檢測。

2.6 overBuy：超額購幣(CVE-2018-11809)

買家如果擁有足夠多的ETH，可以通過發送大量token制造溢出，從而繞過ICO發幣上限，達到超額購幣。

漏洞實例：合約EthLend (LEND)

漏洞所在位置：236行，如圖6所示。

圖6 超額購幣漏洞

漏洞攻擊效果：調用者繞過合約中規定ICO的token容量上限，獲得了超額購幣。

漏洞原理：一個極大的_newTokens可以使得算數加法運算totalSoldTokens + newTokens發生整數溢出，變為一個極小值，從而繞過236行的檢測。

3 結論

智能合約之所以“智能”，是由于合約代碼一旦上鏈，其執行效果完全由可見且不可篡改的代碼來決定，而不用依賴于對任何參與方的信任。然而，智能合約并沒有預期的“智能”，存在相當多的安全風險，尤其是管理員權限下，可能導致諸多嚴重的安全問題。僅僅通過整數溢出這一常見漏洞類型，管理員便能夠任意篡改所有賬戶余額，惡意超額，甚至無上限鑄幣，背離合約白皮書的約定，這樣的合約無法保證參與多方的公平性，更談不上智能。而管理員利用整數溢出進行作惡早已有先例，2018年2月初，基于以太坊的Monero Gold(XMRG) Token在交易所的價格先猛漲787%，后迅速暴跌至崩盤，造成大量用戶經濟損失[8]，其背后就是管理團隊利用預留的整數溢出漏洞進行超額鑄幣，并在交易所拋售造成惡性通貨膨脹，最后價值幾乎歸零[9]。在區塊鏈上運行的智能合約，本意是利用區塊鏈不可篡改的特性來構建可信的執行環境，然而安全漏洞的存在就像一個個隱藏的定時炸彈，對智能合約的可信任基礎帶來了巨大的挑戰。