Im November 2023 wurde Professor Zhou Yajin, CEO von BlockSec, eingeladen, am ersten Web3 Scholars Summit teilzunehmen, der von DRK Lab veranstaltet wurde. Während der Konferenz teilte Professor Zhou die Arbeit und Erfolge von BlockSec bei der Erkennung von Schwachstellen in der EVM (Ethereum Virtual Machine) mit. Er stellte auch das automatisierte differenzielle Fuzzing-Tool von BlockSec vor, das speziell zur Gewährleistung der Sicherheit EVM-kompatibler Chains entwickelt wurde. Dieser Artikel fasst den Inhalt des Vortrags zusammen.
Einleitung
Laut den Datenerhebungen von Defillama gibt es derzeit 238 L1- und L2-Public-Chains, von denen 144 EVM-kompatibel sind. Es stellt sich jedoch die Frage: Weisen diese EVM-kompatiblen Chains während ihrer Implementierung Sicherheitsrisiken auf? Nach unserer Recherche lautet die Antwort bejahend. Als Reaktion auf dieses Problem hat BlockSec ein automatisiertes differenzielles Fuzzing-Sicherheitstool auf den Markt gebracht. Begleiten Sie uns auf einer Reise, um die Wahrheit hinter diesen EVM-kompatiblen Chains zu entdecken.
Schwachstellen in virtuellen Maschinen
Am Beispiel der Ethereum Virtual Machine (EVM) wird eine stackbasierte Architektur verwendet, die Virtual ROM, Program Counter, Stack, Memory und World State (persistent) umfasst.
Eine virtuelle Maschine fungiert als Motor, der den kompilierten Binärcode von Smart Contracts interpretiert und ausführt. Die Kernkomponente vieler Blockchain-Plattformen ist die virtuelle Maschine, wobei die Ethereum Virtual Machine (EVM) besonders hervorzuheben ist. Daher spielt die virtuelle Maschine eine Schlüsselrolle bei der Ausführung von Smart Contracts, der Verarbeitung von Transaktionen und der Gewährleistung der Integrität der Blockchain.
Wir wissen, dass die EVM selbst ein von Programmierern geschriebenes Programm ist. Wie können wir jedoch sicherstellen, dass die EVM fehlerfrei ist? Schließlich können in jedem von Menschen geschriebenen Code Fehler auftreten.
Und sobald ein Fehler in der EVM auftritt, hat dies katastrophale Folgen für das Ökosystem auf der Blockchain. Tatsächlich hat die EVM in der Vergangenheit viele schwerwiegende Schwachstellen aufgewiesen.
Beispielsweise gab es im Jahr 2020 einen Schwachstellenvorfall, der durch einen vorkompilierten Vertrag verursacht wurde (d. h. CVE-2020-26241) [1]. Der dataCopy vorkompilierte Vertrag in Geth (unter der Adresse 0x00...04) führte beim Aufruf eine flache Kopie durch, wobei beim Kopieren großer Datenmengen nur die Zeiger und nicht die vollständigen Daten kopiert wurden. Dies ermöglichte es böswilligen Smart Contracts, Daten zu ändern, die nicht hätten geändert werden dürfen, was zu Dateninkonsistenzen führte, wenn verschiedene Versionen der virtuellen Maschine denselben Smart Contract ausführten. Ein weiteres Beispiel ereignete sich im Jahr 2021, als bestimmte EVM-kompatible Chains nicht zusammen mit Ethereum aktualisiert wurden. In älteren Versionen von Geth gab es eine Schwachstelle (CVE-2021-39137) [2], bei der sich die Speicherbereiche für Eingabe- und Ausgabedaten bei Aufrufen vorkompilierter Verträge überschnitten. Angreifer nutzten diese Schwachstelle aus, was zu einer Chain-Fork führte.
Gegenmaßnahmen von BlockSec
Wie lassen sich Schwachstellen in der EVM rechtzeitig erkennen? Was sind die Herausforderungen?
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Erstens ist es aufgrund des komplexen Designs der virtuellen Maschine schwierig, Tools zu finden, die ihre operative Logik vollständig erfassen können. Jeder Fachbereich erfordert Spezialisierung, viele Entwickler können möglicherweise nicht genügend Aufwand investieren, um die operative Logik zu verstehen und wirksame Vorsichtsmaßnahmen zu treffen.
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Darüber hinaus passen viele neue L1/L2-Public-Chains die EVM-virtuelle Maschine an, was potenziell neue Sicherheitsprobleme mit sich bringen kann.
Es ist klar, dass es schwierig ist, sich ausschließlich auf manuelle Audits zu verlassen, um diese Probleme in der EVM-virtuellen Maschine zu identifizieren.
Passen Sie sich an und reagieren Sie entsprechend! Angesichts dieser Herausforderungen hat BlockSec ein automatisiertes System entwickelt, um diese Probleme direkt anzugehen!
Differenzielles Fuzzing
Bei BlockSec hat unser Expertenteam einen cleveren Ansatz namens differenzielles Fuzzing angewendet. Indem wir dieselben Testfälle auf verschiedenen Versionen der virtuellen Maschine ausführen und die Ausgabeergebnisse vergleichen, können wir potenzielle Schwachstellen und Inkonsistenzen aufdecken. Diese Methode ermöglicht es uns, subtile Unterschiede effektiv zu identifizieren, die herkömmliche Testmethoden möglicherweise übersehen, und somit die Gesamtsicherheit des Systems zu verbessern.
Grundlegendes Funktionsprinzip:
Um differenzielles Fuzzing durchzuführen, müssen wir identische Eingaben als Testfälle vorbereiten. Diese Testfälle werden dann in die differenzielle Fuzzing-Engine eingespeist. Durch den Vergleich der Ausgaben der Ausführung derselben Testfälle auf verschiedenen Versionen der virtuellen Maschine können wir potenzielle Probleme identifizieren.
Spezifische Implementierungsschritte:
Der Testfall für differenzielles Fuzzing muss aus zwei Teilen bestehen: Transaktionsmetadaten und Vorzustand. Aber wie generieren wir diese Transaktionen? Wir haben zwei Ansätze, um diese Herausforderung zu bewältigen.
- Wiederverwendung historischer Transaktionen: Wir können die historischen Transaktionen, die auf der Blockchain aufgetreten sind, abrufen und sie in der differenziellen Fuzzing-Engine durch verschiedene Versionen der virtuellen Maschine laufen lassen. Die alleinige Abhängigkeit von dieser Methode hat jedoch ihre Grenzen. Historische Transaktionen sind tendenziell zu "normal", während Sicherheitstests die Aufdeckung von Eckfällen – den außergewöhnlichen Szenarien – erfordern. Deshalb haben wir einen zweiten Ansatz entwickelt.
- Coverage-guided Fuzzing: Wir generieren ungewöhnlichen Bytecode und historisch nicht gesehene Transaktionen von Grund auf, mutieren dann die Transaktionen und den Smart-Contract-Code und geben sie in die virtuelle Maschine ein. Wir stellen die Gültigkeit und Vollständigkeit von Testfällen aus verschiedenen Dimensionen sicher.
Sobald diese Transaktionen generiert sind, werden sie in die differenzielle Fuzzing-Engine eingespeist und die Ergebnisse werden dann verglichen.
Der Vergleich der Ergebnisse ist nicht nur ein einfacher Zahlenvergleich, sondern berücksichtigt auch umfassend die Datenkonsistenz im persistenten und nicht-persistenten Speicher der virtuellen Maschine. Dieser Artikel wird hierauf nicht weiter eingehen.
Fallstudie
Ich möchte einen Fall von Schwachstellen in virtuellen Maschinen vorstellen, den wir mithilfe von differenziellem Fuzzing in der Aurora VM entdeckt haben. Konkret handelt es sich um ein Problem mit dem vorkompilierten Smart Contract ModExp.
Bei der Berechnung der modularen Potenzierung einer Zahl x hoch y wissen wir, dass diese Operation Rechenressourcen erfordert. In einer korrekten Implementierung berücksichtigt die Gasberechnung die Anzahl der Iterationen, da die modulare Potenzierung mehrere Iterationen beinhaltet. Es gibt jedoch ein bestimmtes Szenario, in dem die Gasberechnung ein Problem aufweisen kann: wenn der Exponent y gleich 0 ist, was auf eine Potenzierung nullter Ordnung hinweist. In diesem Fall wird die Anzahl der Iterationen null, was zu einem extrem kleinen Gaswert führt. Tatsächlich erfordert die Berechnung aber dennoch Ressourcen.
Schlussfolgerung
Derzeit unterstützt das von BlockSec gestartete differenzielle Fuzzing-Tool die Ausführung in den Umgebungen verschiedener Blockchain-Virtueller Maschinen, darunter rbpf, ubpf, Aurora-engine, neon-evm, Moonbeam, revm, EvmOS, fevm und Polygon-zkevm, mit kontinuierlicher Erweiterung.
Mit diesem Tool haben wir 14 neue Schwachstellen entdeckt, 2 CVEs beantragt: CVE-2021–46102 und CVE-2022–23066, und über 1,3 Millionen US-Dollar an Bug-Bounties erhalten.
Derzeit wurde die von BlockSec bereitgestellte umfassende Sicherheitslösung für EVM-Chains (Audit-Services + differenzielle Fuzzing-Tools) von EOS und FileCoin anerkannt und übernommen und wird zur Sicherheit und gesunden Entwicklung ihrer Ökosysteme beitragen.
Referenz
[1] Flache Kopie im 0x4-Vorkompilat könnte zu EVM-Speicherbeschädigung führen
[2] RETURNDATA-Beschädigung über Datacopy
Über BlockSec
BlockSec ist ein wegweisendes Blockchain-Sicherheitsunternehmen, das 2021 von einer Gruppe weltweit angesehener Sicherheitsexperten gegründet wurde. Das Unternehmen widmet sich der Verbesserung der Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit für die aufstrebende Web3-Welt, um deren Massenadaption zu fördern. Zu diesem Zweck bietet BlockSec Audit-Services für Smart Contracts und EVM-Chains, die Phalcon-Plattform für die proaktive Sicherheitsentwicklung und Bedrohungsblockierung, die MetaSleuth-Plattform für die Nachverfolgung und Untersuchung von Geldern sowie die MetaDock-Erweiterung für Web3-Entwickler, die effizient im Krypto-Bereich surfen.
Bis heute hat das Unternehmen über 300 geschätzte Kunden wie MetaMask, Uniswap Foundation, Compound, Forta und PancakeSwap betreut und in zwei Finanzierungsrunden von namhaften Investoren, darunter Matrix Partners, Vitalbridge Capital und Fenbushi Capital, zweistellige Millionenbeträge erhalten.
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