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WTF Solidity 合约安全: S06. 签名重放

我最近在重新学solidity,巩固一下细节,也写一个“WTF Solidity极简入门”,供小白们使用(编程大佬可以另找教程),每周更新1-3讲。

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这一讲,我们将介绍智能合约的签名重放(Signature Replay)攻击,它曾间接导致了著名做市商 Wintermute 被盗2000万枚 $OP。

签名重放

上学的时候,老师经常会让家长签字,有时候家长很忙,我就会很“贴心”照着以前的签字抄一遍。某种意义上来说,这就是签名重放。

在区块链中,数字签名可以用于识别数据签名者和验证数据完整性。发送交易时,用户使用私钥签名交易,使得其他人可以验证交易是由相应账户发出的。智能合约也能利用 ECDSA 算法验证用户将在链下创建的签名,然后执行铸造或转账等逻辑。更多关于数字签名的介绍请见WTF Solidity第37讲:数字签名

数字签名一般有两种常见的重放攻击:

  1. 普通重放:将本该使用一次的签名多次使用。NBA官方发布的《The Association》系列 NFT 因为这类攻击被免费铸造了上万枚。
  2. 跨链重放:将本该在一条链上使用的签名,在另一条链上重复使用。做市商 Wintermute 因为跨链重放攻击被盗2000万枚 $OP。

漏洞合约例子

下面的SigReplay合约是一个ERC20代币合约,它的铸造函数有签名重放漏洞。它使用链下签名让白名单地址 to 铸造相应数量 amount 的代币。合约中保存了 signer 地址,来验证签名是否有效。

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.4;

import "@openzeppelin/contracts/token/ERC20/ERC20.sol";
import "@openzeppelin/contracts/access/Ownable.sol";
import "@openzeppelin/contracts/utils/cryptography/ECDSA.sol";

// 权限管理错误例子
contract SigReplay is ERC20 {

address public signer;

// 构造函数:初始化代币名称和代号
constructor() ERC20("SigReplay", "Replay") {
signer = msg.sender;
}

/**
* 有签名重访漏洞的铸造函数
* to: 0x5B38Da6a701c568545dCfcB03FcB875f56beddC4
* amount: 1000
* 签名: 0x5a4f1ad4d8bd6b5582e658087633230d9810a0b7b8afa791e3f94cc38947f6cb1069519caf5bba7b975df29cbfdb4ada355027589a989435bf88e825841452f61b
*/
function badMint(address to, uint amount, bytes memory signature) public {
bytes32 _msgHash = toEthSignedMessageHash(getMessageHash(to, amount));
require(verify(_msgHash, signature), "Invalid Signer!");
_mint(to, amount);
}

/**
* 将to地址(address类型)和amount(uint256类型)拼成消息msgHash
* to: 0x5B38Da6a701c568545dCfcB03FcB875f56beddC4
* amount: 1000
* 对应的消息msgHash: 0xb4a4ba10fbd6886a312ec31c54137f5714ddc0e93274da8746a36d2fa96768be
*/
function getMessageHash(address to, uint256 amount) public pure returns(bytes32){
return keccak256(abi.encodePacked(to, amount));
}

/**
* @dev 获得以太坊签名消息
* `hash`:消息哈希
* 遵从以太坊签名标准:https://eth.wiki/json-rpc/API#eth_sign[`eth_sign`]
* 以及`EIP191`:https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-191`
* 添加"\x19Ethereum Signed Message:\n32"字段,防止签名的是可执行交易。
*/
function toEthSignedMessageHash(bytes32 hash) public pure returns (bytes32) {
// 32 is the length in bytes of hash,
// enforced by the type signature above
return keccak256(abi.encodePacked("\x19Ethereum Signed Message:\n32", hash));
}

// ECDSA验证
function verify(bytes32 _msgHash, bytes memory _signature) public view returns (bool){
return ECDSA.recover(_msgHash, _signature) == signer;
}

注意 铸造函数 badMint() 没有对 signature 查重,导致同样的签名可以多次使用,无限铸造代币。

    function badMint(address to, uint amount, bytes memory signature) public {
bytes32 _msgHash = toEthSignedMessageHash(keccak256(abi.encodePacked(to, amount)));
require(verify(_msgHash, signature), "Invalid Signer!");
_mint(to, amount);
}

Remix 复现

1. 部署 SigReplay 合约,签名者地址 signer 被初始化为部署钱包地址。

2. 利用getMessageHash函数获取消息。

3. 点击 Remix 部署面板的签名按钮,使用私钥给消息签名。

4. 反复调用 badMint 进行签名重放攻击,铸造大量代币。

预防办法

签名重放攻击主要有两种预防办法:

  1. 将使用过的签名记录下来,比如记录下已经铸造代币的地址 mintedAddress,防止签名反复使用:

    mapping(address => bool) public mintedAddress;   // 记录已经mint的地址

    function goodMint(address to, uint amount, bytes memory signature) public {
    bytes32 _msgHash = toEthSignedMessageHash(getMessageHash(to, amount));
    require(verify(_msgHash, signature), "Invalid Signer!");
    // 检查该地址是否mint过
    require(!mintedAddress[to], "Already minted");
    // 记录mint过的地址
    mintedAddress[to] = true;
    _mint(to, amount);
    }
    ```solidity

  2. nonce (数值随每次交易递增)和 chainid (链ID)包含在签名消息中,这样可以防止普通重放和跨链重放攻击:

    uint nonce;

    function nonceMint(address to, uint amount, bytes memory signature) public {
    bytes32 _msgHash = toEthSignedMessageHash(keccak256(abi.encodePacked(to, amount, nonce, block.chainid)));
    require(verify(_msgHash, signature), "Invalid Signer!");
    _mint(to, amount);
    nonce++;
    }

总结

这一讲,我们介绍了智能合约中的签名重放漏洞,并介绍了两个预防方法:

  1. 将使用过的签名记录下来,防止二次使用。

  2. noncechainid 包含到签名消息中。