智能合约整数溢出漏洞分析与利用

1. 整数溢出漏洞概述

整数溢出是智能合约中常见的安全漏洞之一，主要发生在算术运算结果超出变量类型所能表示的范围时。在Solidity中，整数类型(uint/int)都有固定的位数(如uint256为256位)，当运算结果超出这个范围时会发生溢出。

溢出类型

• 上溢(Overflow): 当数值超过类型最大值时，会"回绕"到最小值
• 下溢(Underflow): 当数值小于类型最小值时，会"回绕"到最大值

2. 漏洞合约分析

以2018年WCTF比赛中的BelluminarBank合约为例，该合约存在整数溢出和变量覆盖漏洞。

合约关键结构

pragma solidity ^0.4.23;

contract BelluminarBank {
    struct Investment {
        uint256 amount;
        uint256 deposit_term;
        address owner;
    }
    
    Investment[] balances;
    uint256 head;
    address private owner;
    bytes16 private secret;
    
    // ... 其他函数 ...
}

关键漏洞点

1. 整数溢出漏洞:

require(deposit_term >= balances[balances.length - 1].deposit_term + 1 years);

当balances[balances.length - 1].deposit_term + 1 years计算结果超过uint256最大值时，会发生上溢归零。

2. 变量覆盖漏洞:

Investment storage investment = balances[account];
investment.amount = msg.value;
investment.deposit_term = deposit_term;
investment.owner = msg.sender;

未初始化的storage指针会从storage[0]开始覆盖全局变量。

3. 漏洞利用步骤

攻击目标

获取合约所有权并清空合约余额。

详细攻击流程

1. 初始状态分析

   • 合约部署时存入31337 wei
   • 初始owner为合约创建者
   • secret为部署时设置的私密值

2. 第一次invest调用

   • 参数:
     • account: 1
     • deposit_term: 2^256 - 31536000 (1年秒数)
     • value: 1 wei
   • 效果:
     • 通过整数溢出绕过存款期限检查
     • 变量覆盖:
       • balances.length被覆盖为2
       • head被覆盖为大数值
       • owner被覆盖为攻击者地址

3. 第二次invest调用

   • 参数:
     • account: 2
     • deposit_term: 0
     • value: 2 wei
   • 效果:
     • 将head重置为0
     • 进一步调整balances和amount值

4. 平衡合约余额

   • 由于变量覆盖导致账目不一致
   • 通过自毁合约向目标合约转账2 wei

5. 调用confiscate

   • 参数:
     • account: 2
     • secret: 从storage读取的值
   • 效果:
     • 满足所有条件检查
     • 转移合约全部余额

4. 关键知识点

1. Solidity存储布局

• 状态变量按声明顺序存储在storage中
• 复杂类型(struct/array)的局部storage变量会覆盖全局变量

2. 时间单位处理

• 1 years = 31536000秒
• 时间计算同样受整数溢出影响

3. 变量覆盖机制

Investment storage investment = balances[account];

未初始化的storage指针会从storage[0]开始覆盖:

• investment.amount → storage[0] (balances.length)
• investment.deposit_term → storage[1] (head)
• investment.owner → storage[2] (owner)

4. 整数溢出计算

// 当x + 1 years >= 2^256时，结果为0
uint256 x = 2^256 - 31536000;
require(deposit_term >= x + 1 years); // 恒成立，因为x + 1 years = 0

5. 防御措施

1. 使用SafeMath库

   using SafeMath for uint256;
   a = b.add(c); // 会自动检查溢出
   

2. 正确初始化storage指针

   Investment storage investment = balances[balances.length];
   balances.push(Investment(msg.value, deposit_term, msg.sender));
   

3. 合理设计时间检查逻辑

   • 避免直接进行大数值时间运算
   • 使用区块时间戳进行比较

4. 最小权限原则

   • 关键函数添加权限检查
   • 避免owner可以被任意修改

6. 工具与资源

1. 测试工具

   • Remix IDE: http://remix.ethereum.org/
   • MetaMask: https://metamask.io/
   • MyEtherWallet: https://www.myetherwallet.com/

2. 学习资源

   • Solidity文档: https://docs.soliditylang.org/
   • CTF题库: https://github.com/beched/ctf
   • 安全实践: https://consensys.github.io/smart-contract-best-practices/

7. 总结

整数溢出漏洞常与其他漏洞(如变量覆盖)结合出现，在CTF比赛中是常见题型。理解Solidity的存储布局和算术运算特性是发现和利用这类漏洞的关键。开发者应使用SafeMath等防护措施，审计时应特别注意涉及大数值计算的代码路径。