以太坊智能合约重放攻击细节剖析

以太坊智能合约重放攻击细节剖析-碳链

在刚刚结束的 Defcon 26 全球黑客大会上，来自 360 独角兽安全团队(UnicornTeam)的 Zhenzuan Bai, Yuwei Zheng 等分享了议题《Your May Have Paid More than You Imagine：Replay Attacks on Ethereum Smart Contracts》，慢雾安全团队学习并测试实践后，整理了这篇文章供大家交流参考。

攻击背景

在资产管理体系中，常有委托管理的情况，委托人将资产给受托人管理，委托人支付一定的费用给受托人。这个业务场景在智能合约中也比较普遍。

合约设计

function transferProxy(address _from, address _to, uint256 _value, uint256 _fee, uint8 _v, bytes32 _r, bytes32 _s)

transferProxy 方法涉及的角色：

角色1: 需要转 Token，但自己钱包地址里没有 ETH 的人，即合约中的 _from
角色2: 帮助角色1来转 Token，并支付 ETH 的 gas 费用，即合约中的 msg.sender，也是调用这个合约的人
角色3: Token 接收方，即合约中的 _to

transferProxy 方法的目的：

角色1想要转 Token 给角色3，但自己又没有 ETH 来支付手续费，于是角色1找到有 ETH 的角色2说：我给你一些 Token 当做手续费，你来通过调用 transferProxy 来把我的 Token 转给角色3，因为你有 ETH。

合约实现

function transferProxy(address _from, address _to, uint256 _value, uint256 _fee,
    uint8 _v, bytes32 _r, bytes32 _s) public returns (bool){

    if(balances[_from] < _fee + _value 
        || _fee > _fee + _value) revert();

    uint256 nonce = nonces[_from];
    bytes32 h = keccak256(_from,_to,_value,_fee,nonce,address(this));
    if(_from != ecrecover(h,_v,_r,_s)) revert();

    if(balances[_to] + _value < balances[_to]
        || balances[msg.sender] + _fee < balances[msg.sender]) revert();
    balances[_to] += _value;
    emit Transfer(_from, _to, _value);

    balances[msg.sender] += _fee;
    emit Transfer(_from, msg.sender, _fee);

    balances[_from] -= _value + _fee;
    nonces[_from] = nonce + 1;
    return true;
}

函数中关键的点是keccak256和ecrecover，即椭圆曲线加密数字签名(ECDSA)函数和验签函数，keccak256等同于sha3。

如下是签名、验签过程：

角色1(_from)先用sha3函数对 _from,_to,_value,_fee,nonce,address(token)进行处理得到msg值，然后使用web3.eth.sign(address, msg)得到签名signature；
将signature取前 0~66 个字节作为 r， 66~130 之间的字节作为 s，130~132 的字节作为 v，然后把 v 转为整型，角色1把这些信息告知角色2，角色2调用合约的transferProxy进行转账；
合约内ecrecover接收签名数据的哈希值以及 r/s/v 等参数作为输入，返回实施该签名的账户地址；
校验步骤3中得到的账户地址与 _from 是否匹配；

let msg = web3.sha3(_from,_to,_value,_fee,nonce,address(token))
let signature = web3.eth.sign(_from, msg)

let r = signature.slice(0, 66)
let s = '0x' + signature.slice(66, 130)
let v = '0x' + signature.slice(130, 132)
v = web3.toDecimal(v)

console.log('r', r)
console.log('s', s)
console.log('v', v)
console.log(msg)

备注

角色1、角色2需要事先沟通好nonce、_fee，其中nonce在合约中定义，从 0 开始自增，可调用合约的getNonce(address _addr)函数查询。

攻击过程

以太坊智能合约重放攻击细节剖析-碳链

由于合约所有的调用数据（函数参数）都在链上公开可查，所以可从 Transaction 中提取所有签名信息。

流程图

在智能合约重放攻击中，基于椭圆曲线加密数字签名(ECDSA)和验签的逻辑，可利用不同合约中相同的transferProxy实现，把 A 合约 Transaction 中的签名信息提取出来，在 B 合约中进行重放，由于涉及签名的所有参数都是一样的，所以可以直接调用 B 合约并广播到链上。

攻击成功的前提是 _from 账户在两个合约中的 nonce 值是一样的，这样才能保证签名后的 hash 值相同。

测试工具：https://github.com/nkbai/defcon26/tree/master/trproxy

漏洞影响

根据议题《Your May Have Paid More than You Imagine：Replay Attacks on Ethereum Smart Contracts》中披露的数据，截止 4 月 27 日统计约有 52 个合约受到重放攻击的影响，其中 10 个高危、37 个中危、5 个低危。

从攻击目标角度分析，有 5 个合约因为没有 nonce 的设计，可在自身合约内进行重放攻击；另外 45 个合约可跨合约进行重放攻击。

详细受影响合约列表可查看演讲者的 PDF。

防御建议

nonce 生成算法不采用从 0 开始自增的设计，避免和场景的做法相同；
去除 transferProxy 函数，改成其他方式实现代理的需求；
慢雾安全团队合约审计项已加入该类型问题的审计。

参考资料

演讲者 PDF：https://media.defcon.org/DEF%20CON%2026/DEF%20CON%2026%20presentations/Bai%20Zheng%20and%20Chai%20Wang/DEFCON-26-Bai-Zheng-Chai-Wang-You-May-Have-Paid-more-than-You-Imagine.pdf

演讲者开放文档：https://github.com/nkbai/defcon26/blob/master/docs/Replay%20Attacks%20on%20Ethereum%20Smart%20Contracts.md

演讲者开放工具：https://github.com/nkbai/defcon26/tree/master/erc20finder

演讲者开放工具：https://github.com/nkbai/defcon26/tree/master/proxytoken

以太坊智能合约重放攻击细节剖析-碳链