[论文分享]Evaluation of Real-world Attacks and Defenses in Ethereum

An Ever-evolving Game: Evaluation of Real-world Attacks and Defenses in Ethereum Ecosystem

本篇文章发表于 USENIX Sec ’20。第一作者为复旦大学的Shunfan Zhou。

智能合约漏洞的自动挖掘工作已经非常多，不过代码的漏洞点到真正的攻击还有一定的距离，本文从攻击行为和ether/token的转移 两个角度，来对攻击和防御进行分析。

Intro

本文的任务是分析现有eth网络上的合约，并理解攻击者使用的策略。

这个任务超出代码分析的范围（静态或动态的）：它包括过去成功的攻击，也包括失败的。

本文共分析了15-19年之间的420mil eth交易。方法的核心贡献是一个交易记录分析器，可以把执行的trace和交易签名进行匹配并找出恶意的交易记录。签名匹配包括两步，可以解耦两个重要的概念 i 恶意行为 ii 恶意行为后果。前者是一个合约调用，可以看出攻击的意图；后者是一个ether转账，可以看出攻击的结果。

两步设计的一些细节：

•首先，设计一种 “行为原语（action clause）” 来建模攻击签名，进而匹配交易记录中的合约交互。细节：action tree…•其次，设计了另一种 “结果原语（result clause）” 来匹配ether（平台的原生token）转账、其他token转账、所有权转移的结果。细节：result graph…

一些重要的观察/insights — 攻击策略分析。

•有93.55%的攻击是针对198个缺陷合约的，使用了一种新的攻击技术（airdrop hunting）。•攻击的策略在时间域上有比较大的变化：eth的早期攻击（15-17年）重入和调用内插几乎占据了全部攻击的97%；之后攻击逐渐转向了整数溢出和空投狩猎。

另一部分主要产出 — 研究真实世界中的、已部署的攻击。

•本文总共分析了六类的防御，涉及5.8 mil 开源的合约。•两个主要广泛使用的机制：3.1 mil 合约使用的SafeMath和 2.1 mil 合约使用的onlyOwner check。•虽然一些防御方法被使用了，但并没有达到防御效果。（68,873 txs）

这个工作的一个副产品 — 0-day 检测。文章共发现了22个0-day。

Overview

Airdrop example

空投是一种加密token分发的方式。项目方为了获得关注，会向新的参与者分发一些固定的、小面额的token。空投狩猎是攻击空投的一类策略，通常会旁路掉身份验证，来获得一大笔token。

Fig1这个例子中的ERC20 Token由于没有对msg.sender进行额外的判断，所以攻击者可以创建多个slave，来获得大量free token。

一种防御机制见Fig2。

比较高层次地看这个例子，分为3个子分析：

i 攻击分析，找到攻击方的交易；

ii 防御分析，找到合约和对应的防御；

iii 规避分析，找到敌手的规避了当前防御的交易。

Threat Model

这篇工作测了现行的攻击的显性、可衡量的指标（以ether和代币计）。

比如，如果攻击者获利100ether，我们就认为这个攻击是在范围内（in-scope）的。另外一个例子，如果攻击者使一个合约对别人不可用，比如out-of-gas或者锁住了合约，攻击者并不直接获得任何ether，因此我们认为超出了范围（out-of-scope）。采用这种威胁模型是因为攻击者需要显式造成损失并被衡量。

In-scope Attacks

•Airdrop hunting•Call injection•Re-entrancy•Integer overflow•Honeypot•Call-after-destuct

Methodology

整个工作流程如Fig3，分为四个流程

1）preparation。包括action tree和result graph的构造，手动生成敌手交易的签名。

2）attack analysis。检测已确认的和试图攻击。

3）defense analysis。理解部分敌对交易失败的原因。

4）evasion analysis。分析是否可以攻破这些合约的防御代码。

Observation

文中给出了两个观察

1）Attack Strategy Shift

主要的攻击手段从2016年的重入，到2017年的调用插入，再到2018年的honeypot，最后是19年的airdrop hunting。

上表中报告了几种攻击的峰值时段、占比和平均攻击的数量。

这些变化在作者认为的原因：

1a 智能合约在进化，新的攻击面也在不断被引入。

1b 爆发的攻击会快速耗尽所有的高价值的问题合约，使得后续攻击不再值钱。

1c 多数问题合约在几个交易的攻击之后就会消亡。

2）“Benign” Adversarial Transactions

一些攻击是由白帽子发动的，来救助问题合约。

两个例子是：TheDAO和Parity Wallet的攻击。

Advices

Advice 1

Improving Existing Program Analysis

作者建议改进现有的程序分析，比如支持合约间数据流的分析并增加代码覆盖。

Advice 2

Keeping Pace with New Strategies

作者建议跟上新的攻击策略和相应的检测和防御手段。

原文始发于微信公众号（COMPASS Lab）：[论文分享]Evaluation of Real-world Attacks and Defenses in Ethereum