深入解析Solidity合約

這次主要想討論Solidity背後的運作原理，到底一個Solidity合約經過編譯到部署上鏈之間的過程是如何運作的，以及後續呼叫合約時的流程，知道得越多就越能寫出安全可靠的合約。

本文是參考OpenZeppelin的系列文章『Deconstructing a Solidity Contract』，內容相當精彩，建議可以跟著演練一次。

我們都知道一個Solidity程式碼寫完之後，必須將它編譯成byte code，才能透過交易部署至鏈上，變成所謂的智能合約。我們以下面的EtherDice.sol為例子。

EtherDice v1

當EtherDice.sol經過編譯之後，會產出下面的一長串byte code，這些可以透過EVM assbemly來一步步解析，但用肉眼很難看出到底是如何運作的，至少我不行。

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以執行的方式來看，這些bytecode可以先分成固定的三個部分，如下：

• Creation — 這部分是用來執行合約裡的constructor，而且不會儲存在區塊內，這也就是為什麼constructor只會執行一次。可以看到下圖綠色的部分，constructor執行完畢之後，就是取出Runtime部分，最後將它儲存在區塊中。
• Runtime — 這部分是合約的主體，除了constructor之外的部分，鏈上儲存的就是這份bytecode。在部署合約的時候，並不會執行Runtime的部分，而是在後續跟合約互動的時候才會用到。
• Constructor Parameters — constructor的參數通通放在最後面，方便用完捨棄。

合約編譯後的byte code的圖示

合約部署上鏈之後，在使用合約內的某個函式時，其流程又是如何運作的？這就歸Runtime部分的byte code來負責了。如下圖，Runtime可以分成幾個固定的部分，其中最常用到的就屬 function selector ，它主要負責逐一比對想要呼叫的function signature是否有存在byte code中，若有就執行，否則就會執行fallback function。若合約連fallback function都沒實作，則交易就會被Revert。

Runtime部分

簡單介紹完合約部署上鏈及呼叫函式的流程之後，讓我們來看看對於EtherDice合約的攻防思路，就會變得相當容易理解。

1. 小明的發財夢

小明是個區塊鏈的初學者，想趁著這股風潮趁機大撈一筆。他心裡盤算著，大家滿手ether沒地方花，不如來開發個賭博遊戲吧。這遊戲必須符合容易上手、無法精通的重要原則，才能吸引大量玩家。好吧，就來開發經典的骰子遊戲，容易理解又可以靈活的控制勝率，根本是穩賺不賠的生意。
測試版沒兩三下就開發好了，小明是個認真用功的好學生，記得老師上課時講過，要先在測試鏈上面跑跑看，沒問題再放到主鏈上，才是正確的開發流程。於是小明照辦了，就先放到Ropsten Testnet吧！因為是個dApp，所以程式碼當然也是要公開透明，讓玩家知道莊家沒有一點作弊的可能。為求保險，他還將程式碼上放某個知名的bug bounty網站 — solidified，公開懸賞漏洞。一切都設置好之後，終於可以安心睡覺了。

2. EtherDice的漏洞

阿財是個業餘的bug hunter，平時最大的嗜好就是挖bug賺獎金。又是個沒局的夜晚，阿財跟平常一樣獨自坐在電腦前看文章，信箱突然登登一聲，一封主旨為New bounty posted的email出現在螢幕的角落，阿財馬上點開信中的連結，想要搶快挖bug。經驗豐富的阿財只看EtherDice的合約名稱就馬上知道可能的漏洞在哪邊，果不其然，又是一個想發財的新手，這下撿到寶了。

function roll() public view returns(uint) {        
  return (block.timestamp % 6);    
}

骰子遊戲中最重要的random number來源居然是使用區塊的timestamp，只要寫個攻擊的合約，透過合約來呼叫EtherDice的bet，就可以事先計算block.timestamp % 6的結果再來下注，就每賭必贏啦！！阿財很迅速的完成攻擊合約，並寫下建議的修補方式，就提交bug了。

攻擊合約

3. 修補EtherDice的漏洞

小明才剛躺在床上都還沒睡著，手機就傳來email的通知，沒想到居然這麼快就被找到bug，經過測試確認之後，DiceHack.sol的確是可以成功壓中每一筆下注。他一邊喃喃自語solidified不愧是全球最大的solidity bug bounty網站，效率真高，這錢花的實在值得，一邊著手修補漏洞。

防禦的概念是這樣的，只要能判斷發出交易的address是一般的 externally owned account (EOA，也就是由使用者控制密鑰的帳戶)，還是 contract account，就可以擋下由DiceHack.sol發出的交易，這樣就沒問題啦。

合約部署上鏈後，會將runtime部分儲存起來，透過判斷某個address是否擁有runtime的byte code就可知它是否為contract address。幸好，solidity支援inline assembly，可以直接在solidity程式碼內使用 extcodesize取出儲存的byte code長度，若長度為0就表示是EOA發出的，否則就是合約。

assembly { size := extcodesize(addr) }

小明修改完程式碼之後，再跑一次DiceHack.sol，果然成功擋下，看到螢幕上跳出 robot is not allowed!! 訊息，嘴角不禁微微抽動。這下終於可以高枕無憂，離他的發財夢也不遠了。

EtherDice v2

4. 道高一尺 魔高一丈

一切都在阿財的預料之中，但令他感到意外的是這個新手居然馬上就修補好漏洞，這樣的熱血青年實在令人讚賞，沈思幾秒之後，阿財心裡默默說出，好吧，這次就放過你了。於是著手提交第二個bug，並附上他早就預備好的第二支攻擊合約。

攻擊思路是這樣的，solidity經過編譯之後，主要有creation及runtime兩個部分的byte code，首先執行creation，此時，runtime程式碼尚未儲存，這樣extcodesize(addr) 的回傳值一定會是0。因此只要把攻擊程式碼寫在合約的constructor裡面，就可以繞過偵測機制，發動攻擊。

攻擊合約 v2

這次阿財並沒有說明防禦的方法，因為他希望這位熱血青年能夠繼續鑽研技術，用自己的方式找出答案。其實他這麼做都是為了增加取暖人數，畢竟幣圈正值寒冬，能多一人是一人。

曾經有人說過：若寫程式碼時還要加一堆註解，那不如去寫小說。

所以我來寫小說了XDDD。