深入理解 EVM 存儲機制及安全問題_UIN

EVM 是一個輕量級的虛擬機，其設計初衷就是提供一種可以忽略硬件、操作系統等兼容性的虛擬的執行環境供以太坊網絡運行智能合約。

簡單來說 EVM 是一個完全獨立的沙盒，在 EVM 中運行的代碼是無法訪問網絡、文件系統和其他進程的，以此來避免錯誤的代碼能讓智能合約毀滅或者影響外部環境。

在此基礎上，知道創宇區塊鏈安全實驗室帶大家一起深入理解 EVM 的存儲機制和安全問題。

可以看到 EVM 存儲數據分為兩類：

存儲在 code 和 storage 里的數據是 non-volatile (不容易丟失的)

存儲在 stack，args，memory 里數據是volatile(容易丟失的)

Code

code 部署合約時儲存 data 字段也就是合約內容的空間，即專門存儲智能合約的二進制源碼的空間

Storage

Storage 是一個可以讀寫修改的持久存儲的空間，也是每個合約持久化存儲數據的地方。Storage 是一個巨大的 map，一共 2^256 個插槽 (slot)，每個插糟有 32byte，合約中的“狀態變量”會根據其具體類型分別保存到這些插槽中。

Stack

stack 即所謂的“運行棧",用來保存 EVM 指令的輸入和輸出數據。可以免費使用，沒有 gas 消耗，用來保存函數的局部變量，數量被限制在 16 個。stack 的最大深度為 1024 ，其中每個單元是 32 byte。

共為2020 | Block.one首席執行官：區塊鏈深入數據，更好為用戶服務:金色財經現場報道，2020年6月21日，由金色財經主辦的共為2020·區塊鏈創新應用論壇在深圳拉開帷幕。Block.one首席執行官Brendan Blumer、金色財經CEO安鑫鑫就《Block.one、EOSIO和區塊鏈未來》進行現場連線。Block.one首席執行官Brendan Blumer指出：大家看到周圍的事物往往只是表面，但往下深挖是很大的數據庫。比如現在社交媒體上有很多廣告，這些廣告下面是數據，很多公司用算法和技術方法把廣告推送到我們身邊。區塊鏈技術可以深入其中，提高更好的透明度，看是否為用戶服務，讓用戶能更好的掌控。[2020/6/21]

Args

args 也叫 calldata，是一段只讀的可尋址的保存函數調用參數的空間，與棧不同的地方的是，如果要使用 calldata 里面的數據，必須手動指定偏移量和讀取的字節數。

Memory

Memory 一個簡單的字節數組，主要是在運行期間存儲數據，將參數傳遞給內部函數。基于 32byte 進行尋址和擴展。

前面已經說過 Storage 是每個合約持久化存儲數據的地方其儲存數據的方式是通過插槽來實現的，現在就具體介紹它是怎么實現的：

1.對于大小在 32 字節以內的變量(常量)，以其定義的順序作為它的索引值來存儲。即第一個變量的索引為 key(0)，第二個變量的索引為 key(1)...

動態 | 2019年7月國內一級市場區塊鏈融資10強發布 區塊鏈行業的發展不斷向產業端深入:據中國金融信息網報道，8月8日，中國金融信息網與烯牛數據聯合發布2019年7月份國內一級市場區塊鏈項目融資10強榜單。從榜單來看，在整體融資大幅下滑的趨勢下，2019年7月份國內區塊鏈項目融資數量出現回升。監測數據顯示，數字貨幣和交易平臺類融資項目明顯增多，天秤幣白皮書的發布在一定程度上提振了市場預期，但是此類項目將面臨與天秤幣的直接競爭，其商業邏輯未來或將受到天秤幣嚴酷打壓。與實體經濟結合的項目依然占據著榜單的主流，分別涉及金融、大數據、交通運輸、電商、傳媒、產權、房地產和游戲領域。從連續發布的榜單來看，區塊鏈行業的發展不斷向產業端深入，應用端的開發落地越來越具體，與實體經濟結合發展的想象空間逐漸立體化。從技術角度來看，加密、數據庫、共識、P2P和智能合約的發展日益成熟，區塊鏈作為集成性創新技術的發揮邊界正在逐步拓展。[2019/8/8]

2.對于連續較小的值，可能被優化存儲在同一個位置，比如：合約中前四個狀態變量都是 uint64 類型的，則四個狀態變量的值會被打包成一個 32 字節的值存儲在 0 位置。

未優化：

pragma solidity ^0.4.11;contract C {? ?uint256 a = 12;? ?uint256 c = 12;? ?uint256 b = 12;? ?uint256 d = 12;? ?function m() view public returns(uint256,uint256,uint256,uint256){? ? ? ?return (a,b,c,d);? ?}}

動態 | 未來區塊鏈等金融科技在農村金融領域的應用將會持續深入推廣:據中國金融新聞網消息，日前，央行等五部委聯合發布《關于金融服務鄉村振興的指導意見》（以下簡稱《指導意見》），其中，在強化金融產品和服務方式創新方面，鼓勵推動新技術的運用。業內人士認為，未來金融科技在農村金融領域的應用將繼續深入推廣。正如上述《指導意見》提出，積極運用大數據、區塊鏈等技術，提高涉農信貸風險的識別、監控、預警和處置水平；鼓勵開發針對農村電商的專屬貸款產品和小額支付結算功能，打通農村電商資金鏈條等。[2019/2/16]

優化后：

pragma solidity ^0.4.11;contract C {? ?uint64 a = 12;? ?uint64 c = 12;? ?uint64 b = 12;? ?uint64 d = 12;? ?function m() view public returns(uint64,uint64,uint64,uint64){? ? ? ?return (a,b,c,d);? ?}}

對于大小在 32 字節以內的結構體同樣也是順序存儲，例如結構體變量索引定義在位置 0，結構體內部有兩個成員，則這兩個成員的依序為 0 和 1。

聲音 | 英國財政部金融服務副主任：希望更深入地研究加密行業:據unhashed報道，英國財政部金融服務副主任Gillian Dorner表示，政府相關部門希望能更深入地研究加密行業，以采取相應的應對辦法。英國正面臨著創新經濟、保護消費者和打擊金融犯罪的多重挑戰。[2018/11/23]

pragma solidity ^0.4.11;contract C {struct Info {? ?uint256 a ;? ?uint256 b ;}? ?function m() ?external returns(uint256,uint256){? ? ? ?Info storage info;? ? ? ?info.a = 12 ;? ? ? ?info.b = 24 ;? ? ? ?return(info.a,info.b);? ?}}

map 存儲位置是通過 keccak256 (bytes32(key) + bytes32(position) ) 計算得到的,position 表示 key 對應 storage 類型變量存儲的位置。

pragma solidity ^0.4.11;contract Test {?mapping(uint256 => uint256) knownsec;?function go() public {? ? ?knownsec[0x60] = 0x40;?}}

現場 | 姜海：密碼學將隨著黎曼猜想等理論研究的深入迎來大發展:金色財經現場報道，今日，2018可信區塊鏈峰會在北京召開。在主題為“區塊鏈安全焦點關注”的區塊鏈安全論壇上，丁牛科技有限公司CEO姜海結合最近黎曼猜想被證明引起了密碼學界的高度關注，分析了黎曼猜想與區塊鏈密碼安全。他提出，盡管黎曼猜想的證明對于傳統密碼安全有極大的沖擊，但是區塊鏈技術的安全建立在SHA-256、橢圓曲線、算法校驗等基礎之上，在使用過程中能夠極大地抵抗密碼攻擊。盡管最近有很多的安全事件發生，而其根本原因在于程序的違規操作。未來隨著隨機發生器、量子計算機以及黎曼幾個等基礎理論的研究，密碼學將會有更大的發展空間。[2018/10/10]

同上，只要在 32 字節以內也是順序存儲，不過在編譯時編譯器會進行邊界檢查防止越界。

pragma solidity ^0.4.11;contract C {? ?uint256 a = [12,24,48] ;? ?? ?function m() public view returns(uint256,uint256,uint256){? ? ? ?return (a,a,a);? ?}? ?}

由于可變長度數組長度不定，一般在編譯可變長度數組時會提前預留存儲空間，所以就會使用狀態變量的位置存儲可變長度數組的長度。

而具體的數據地址會通過計算 keccak256 (bytes32(position)) 算得數組首地址，再加數組長度偏移量獲得具體的元素。

pragma solidity ^0.4.11;contract C {? ?uint256[] a = [12,24,48] ;? ?? ?function m() public view returns(uint256,uint256,uint256){? ? ? ?return (a,a,a);? ?}? ?}

如果長度小于等于31字節 ：

1.對于定長字節數組則是同定長數組一樣；

2.對于可變字節數組和字符串，會在存儲值位置補0一直到32字節，并用補0的最后一個字節存儲字符串的編碼長度。

pragma solidity ^0.4.4;contract A{? ?string public name0 = "knownsec";?? ?bytes8 public name=0x6b6e6f776e736563;? ?bytes public g ;? ?? ?function test() public {? ? ? ?g.push(0xAA);? ? ? ?g.push(0xBB);? ? ? ?g.push(0xCC);? ?}? ?function go() public view returns(bytes){? ? ? ?return g;? ?}}

當節數組和字符串長度大于31字節時

1.變量位置存儲編碼長度，并且編碼長度公式更換為編碼長度 = 字符數 * 2 + 1

2.真實存儲值第一個位置通過公式 keccak256(bytes32(position)) 獲取，剩余值在獲取到的位置順序存儲，同樣在最后存儲位置補0到32字節。

string public name = "knownsecooooooooooooooooooooooooo";

前面已經講到EVM的存儲結構及存儲機制，現在我們再來探討其安全問題。

漏洞原理：

在官方手冊中提到結構體，數組和映射的局部變量默認是放在 storage 中的，而 solidity 語言中函數中設置的局部變量的默認類型取決于它們本身的類型。

因此如果在函數內部設置以上 storage 類型變量卻沒有進行初始化，他們就相當于存儲指針指向合約中的其他變量，當我們對其進行改變時改變的就是其指向的變量。漏洞合約，目的修改 owner 為自己地址：

pragma solidity ^0.4.0;contract testContract{? ?bool public unlocked = false;? ?address public owner = 0xCA35b7d915458EF540aDe6068dFe2F44E8fa733c;struct Person {? ?bytes32 name;? ?address mappedAddress;}? ?function test(bytes32 _name , address ?_mappedAddress) public{? ? ? ?Person person;? ? ? ?person.name = _name;? ? ? ?person.mappedAddress = _mappedAddress;? ? ? ?require(unlocked);? }}

漏洞合約分析：

可以看到該合約在函數部分創建新的結構體時沒有進行初始化，由此我們可以利用該函數進行對owner的修改。不過使用該函數我們還要通過require驗證，不過這也不難因為狀態變量unlocked也同樣在我們可控的范圍內。

具體操作：

調用test函數分別傳入向_name 傳入：0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001(真值)

_mappedAddress 傳入：0xfB89eCb0188cb83c220aADDa1468C1635208e821(個人地址)

傳參前：

傳參后：

可以看到已經成功更改了地址。

可以看到 EVM 的存儲器就是一個 key=>value 的健值數據庫，存儲的數據可以通過校驗和來確保一致。但是其也是和智能合約語言進行交互的，當其中一些規則發生沖突很可能就被別有用心的人用來作惡，所以規范的使用智能合約語言是避開漏洞的必要條件。

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