ERC20代币合约安全详解

一、ERC20概述

ERC20是以太坊上代币的标准接口协议，于2015年11月推出。它定义了一套统一的规则，使得所有遵循该标准的代币能够：

• 兼容以太坊钱包
• 易于交易所整合
• 实现即时交易
• 保持操作方式的可预测性

二、ERC20核心代码分析

1. 基础结构

pragma solidity ^0.4.24;
import "./IERC20.sol";
import "../../math/SafeMath.sol";

• 声明Solidity版本
• 引入IERC20接口定义
• 引入SafeMath安全数学库

2. IERC20接口定义

interface IERC20 {
    function totalSupply() external view returns (uint256);
    function balanceOf(address who) external view returns (uint256);
    function allowance(address owner, address spender) external view returns (uint256);
    function transfer(address to, uint256 value) external returns (bool);
    function approve(address spender, uint256 value) external returns (bool);
    function transferFrom(address from, address to, uint256 value) external returns (bool);
    
    event Transfer(address indexed from, address indexed to, uint256 value);
    event Approval(address indexed owner, address indexed spender, uint256 value);
}

3. SafeMath安全数学库

library SafeMath {
    // 乘法（防溢出）
    function mul(uint256 a, uint256 b) internal pure returns (uint256) {
        if (a == 0) return 0;
        uint256 c = a * b;
        require(c / a == b);
        return c;
    }
    
    // 除法（防除零）
    function div(uint256 a, uint256 b) internal pure returns (uint256) {
        require(b > 0);
        uint256 c = a / b;
        return c;
    }
    
    // 减法（防负数溢出）
    function sub(uint256 a, uint256 b) internal pure returns (uint256) {
        require(b <= a);
        return a - b;
    }
    
    // 加法（防溢出）
    function add(uint256 a, uint256 b) internal pure returns (uint256) {
        uint256 c = a + b;
        require(c >= a);
        return c;
    }
    
    // 取模（防除零）
    function mod(uint256 a, uint256 b) internal pure returns (uint256) {
        require(b != 0);
        return a % b;
    }
}

4. 核心存储变量

mapping (address => uint256) private _balances; // 账户余额映射
mapping (address => mapping (address => uint256)) private _allowed; // 授权额度映射
uint256 private _totalSupply; // 代币总供应量

三、ERC20核心功能实现

1. 查询功能

// 查询总供应量
function totalSupply() public view returns (uint256) {
    return _totalSupply;
}

// 查询账户余额
function balanceOf(address owner) public view returns (uint256) {
    return _balances[owner];
}

// 查询授权额度
function allowance(address owner, address spender) public view returns (uint256) {
    return _allowed[owner][spender];
}

2. 转账功能

// 直接转账
function transfer(address to, uint256 value) public returns (bool) {
    require(value <= _balances[msg.sender]);
    require(to != address(0));
    
    _balances[msg.sender] = _balances[msg.sender].sub(value);
    _balances[to] = _balances[to].add(value);
    emit Transfer(msg.sender, to, value);
    return true;
}

3. 授权功能

// 设置授权额度
function approve(address spender, uint256 value) public returns (bool) {
    require(spender != address(0));
    _allowed[msg.sender][spender] = value;
    emit Approval(msg.sender, spender, value);
    return true;
}

// 增加授权额度
function increaseAllowance(address spender, uint256 addedValue) public returns (bool) {
    require(spender != address(0));
    _allowed[msg.sender][spender] = _allowed[msg.sender][spender].add(addedValue);
    emit Approval(msg.sender, spender, _allowed[msg.sender][spender]);
    return true;
}

// 减少授权额度
function decreaseAllowance(address spender, uint256 subtractedValue) public returns (bool) {
    require(spender != address(0));
    _allowed[msg.sender][spender] = _allowed[msg.sender][spender].sub(subtractedValue);
    emit Approval(msg.sender, spender, _allowed[msg.sender][spender]);
    return true;
}

4. 授权转账功能

// 使用授权额度转账
function transferFrom(address from, address to, uint256 value) public returns (bool) {
    require(value <= _balances[from]);
    require(value <= _allowed[from][msg.sender]);
    require(to != address(0));
    
    _balances[from] = _balances[from].sub(value);
    _balances[to] = _balances[to].add(value);
    _allowed[from][msg.sender] = _allowed[from][msg.sender].sub(value);
    emit Transfer(from, to, value);
    return true;
}

5. 代币管理功能

// 增发代币（挖矿）
function _mint(address account, uint256 amount) internal {
    require(account != address(0));
    _totalSupply = _totalSupply.add(amount);
    _balances[account] = _balances[account].add(amount);
    emit Transfer(address(0), account, amount);
}

// 销毁代币
function _burn(address account, uint256 amount) internal {
    require(account != address(0));
    require(amount <= _balances[account]);
    
    _totalSupply = _totalSupply.sub(amount);
    _balances[account] = _balances[account].sub(amount);
    emit Transfer(account, address(0), amount);
}

// 从授权额度中销毁代币
function _burnFrom(address account, uint256 amount) internal {
    require(amount <= _allowed[account][msg.sender]);
    _allowed[account][msg.sender] = _allowed[account][msg.sender].sub(amount);
    _burn(account, amount);
}

四、ERC20安全风险分析

1. 接口实现不一致风险

问题描述：
接口中定义的函数修饰符（如view、pure）在实现时可能被忽略或修改，导致预期外的状态修改。

示例：

// 接口定义
interface Building {
    function isLastFloor(uint) view public returns (bool);
}

// 实际实现（缺少view修饰符）
function isLastFloor(uint) public returns (bool) {
    ls = !ls; // 修改了状态变量
    return ls;
}

解决方案：

• 严格遵循接口定义的所有修饰符
• 使用静态分析工具检查实现一致性

2. Approve授权竞争条件漏洞

攻击流程：

1. 用户A授权B转账N个代币（调用approve(B, N)）
2. A决定将授权额度从N改为M，发起新交易approve(B, M)
3. B在交易2打包前，使用transferFrom花费N个代币
4. 交易2打包后，B仍可再花费M个代币
5. 最终B花费了N+M个代币，超出A的预期

解决方案：

• 使用increaseAllowance/decreaseAllowance代替直接approve
• 或采用以下模式：

function approve(address spender, uint256 value) public returns (bool) {
    require((value == 0) || (_allowed[msg.sender][spender] == 0));
    _allowed[msg.sender][spender] = value;
    emit Approval(msg.sender, spender, value);
    return true;
}

3. 整数溢出风险

问题描述：
直接使用算术运算符可能导致整数溢出，如：

uint256 a = 2^256 - 1;
uint256 b = a + 1; // 溢出为0

解决方案：

• 始终使用SafeMath进行算术运算
• 对所有算术操作进行边界检查

4. 重入攻击风险

问题描述：
在状态更新前进行外部调用可能导致重入攻击。

解决方案：

• 遵循"检查-生效-交互"模式
• 使用互斥锁或重入保护

五、最佳实践建议

1. 始终使用SafeMath：所有算术运算都应通过SafeMath进行

2. 严格权限控制：

   • 关键函数（如_mint、_burn）应设置适当的访问控制
   • 使用OpenZeppelin的Ownable或Role-based控制

3. 事件记录：

   • 所有状态变更都应触发相应事件
   • 事件参数应包含足够的信息

4. 接口一致性：

   • 严格遵循ERC20接口定义
   • 不修改函数签名和可见性

5. 授权安全：

   • 推荐使用increaseAllowance/decreaseAllowance模式
   • 或实现"先置零再授权"模式

6. 测试覆盖：

   • 应覆盖所有边界条件
   • 特别测试大数运算和边界值

7. 静态分析：

   • 使用Slither、MythX等工具进行静态分析
   • 检查常见漏洞模式

六、参考资料

1. ERC20标准文档
2. OpenZeppelin ERC20实现
3. ERC20 Approve漏洞分析
4. Ethernaut挑战题

通过深入理解ERC20标准实现及其安全风险，开发者可以构建更安全可靠的代币合约，避免常见的安全陷阱。