解密EVM实现机制

以下都是来自我的新作《解密EVM机制及合约安全漏洞》里的内容

电子版PDF下载：https://download.youkuaiyun.com/download/softgmx/10800947

 

研究环境：

OS	ubuntu 16.04
VM及合约语言	EVM/ solidity
合约调试器	https://remix.ethereum.org
Ethererum源码	go语言版本的

 

EVM机制原理

智能合约容易产生漏洞的主要原因：

• 开发人员对EVM的运行机制不了解

1. stack、memory和storage是怎样存储数据的
2. 合约间调用是怎样实现的，传参和返回值又是怎样在合约间传递的
3. 用链上数据做随机数种子时，应注意伪随机的问题（链上数据是可见的，合约里定义的私有变量实际是公开可见的，且一些字段是可以被矿工操纵的）
4. solidity封装好的区块访问方法实际上是读取区块链的哪部分数据
5. 区块链中交易费用出价高者可以插队优先交易
6. gas的消耗实现机制

• 开发人员对solidity编译器的一些内部处理不了解

1. send、transfer和call底层转账方法的实现原理和区别
2. fallback机制的实现原理
3. storage变量的存储和索引原理

• 开发人员对solidity语言不熟悉

1. 构造函数
2. 鉴权方法
3. 日志记录
4. 算数溢出

 

这样我们分析问题可以抽象出的三个层次来研究，如下图：

 

                                                  图一 智能合约的层次

 

以太坊的智能合约机（EVM）构成及工作原理：

每次我们call一个合约方法时，在call的函数实现里，首先会创建一个contract 类对象，并填充对应的字段值（code,CallerAddress,Input,gas,value,selfAddress），然后把这个contract对象传入EVM的解释器Interpeter进行逐条指令的解释执行，但在开始解释之前，会生成一个新的stack和一个memory对象以用于后面程序的运行，并把结果写入合约地址对应的StateDB。

 

                                                          图二 EVM的工作原理

下面列出了EVM的几个关键类的定义：

 

                                                                    图三 对应的类图

 

 

                     

                                 图四 EVM执行智能合约中function的过程

 

EVM三大核心部件：

1. stack
2. memory
3. storage

 

Stack的实现：

    type Stack struct {

            data []*big.Int

    }

1. 最小单元32字节（最小对齐单位）
2. 初始容量1024个元素
3. 以动态数组方式实现，理论上可扩容（但实际上一个方法只有1024个元素可用）
4. 主要指令push、pop、swap 、dup
5. 数据不持久化
6. 合约间调用，方法之间不共用栈（一个方法分配一个栈）
7. 同一合约的方法调用不产生call, 直是简单的 jump

    

Memory的实现：

        type Memory struct {

                store       []byte

                lastGasCost uint64

         }

• 最小单位有一个字节

• 以动态字节数组方式实现，可以扩容

• 类似x86架构里的堆，数据不具有持久性，合约执行完成，数据消失

• 主要指令mload、mstore

Storage的实现：

• 通过StateDB把数据存储在区块链上

• 主要指令sload、sstore

• 数据被持久化（写在链上了，并在所有矿机上同步）
• 容量是2的256次幂，storage[slot]=value,   key和value都是32位对齐的

slot=[ 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000,……

,0xffffffff ffffffff ffffffff ffffffff ffffffff ffffffff ffffffff ffffffff]

命令集分类：

• 算术、逻辑运算(add、sub、mul、div、mod、lt ,gt、 not、xor、or、and等)

• 栈操作、内存操作、存储操作(push、pop、mload、mstore、sload、sstore)

• 区块链操作（address、balance、gas、caller、callvalue、origin、blockhash、timestamp、difficulty、gaslimit、coinbase、log等）
• 执行流操作（jump、jumpi、call、callcode、delegatecall、 staticcall）

 

命令集具体说明：

Instruction			Explanation
stop	-	F	stop execution, identical to return(0,0)
add(x, y)		F	x + y