이더리움 스마트 컨트랙트 보안 취약점 분석 및 대응방안에 대한 연구

📌논문 선정이유

 

평소 금융권에 관심이 많아서 블록체인과 웹3.0관련한 내용들을 자주 보는데 이더리움과 스마트 컨트랙트가 해당 내용들과 밀접한 관련이 있고, 그에 대한 보안 취약점 분석 및 대응 방안에 대한 연구에 관심이 있기때문에 해당 논문을 통해서 

몰랐던 내용을 배워볼 기회라고 여겨서 선정하게되었다.

 

📌서론

 

블록체인이란?

 

 

블록체인은 현재 많은 분야에서 관심을 불러일으키며 차세대 인터넷을 이끌 혁신적인 기술 중 하나로꼽히고있음.

블록체인은 다수의 온라인 거래기록을 한곳에 묶어 하나의 데이터 블록을 구성하고 해시값을 이용해 블록들을 체인 처럼연결한뒤 P2P  방식으로여러 컴퓨터에 분산저장·관리하는 기술로, 중앙 집중적으로 관리하는 것과는 반대되는 개념이다.

 

 

스마트 컨트랙트란?

 

 

스마트 컨트랙트는 블록체인에서 널리 사용되며 당사자 간의 계약 조건을 코드로 작성하여 해당 조건이 충족되면 계약을 자동으로 이행하는 디지털 계약임

스마트 컨트랙트에는 트랜잭션에 대한 모든 정보가 포함되어 있으며 기존 계약과는 다르게 제3자가 관여하지 않고 암호화된 거래를 참여자 간 공유하기 때문에 신뢰성과 투명성이 보장된다는 장점이 있음.

 

스마트 컨트랙트의 취약점

 

 

스마트 컨트랙트는 한 번 블록체인에 배포되면 수정할 수 없어 이를 악용한 악의적인 공격이 발생하고 있는데 대표적으로2016년 발생한 더다오(TheDAO) 사건임.

이는스마트 컨트랙트 코드상의 보안 취약점이 생김. 해당 사건은 이를 이용해서 이루어짐.

 

📌본론

 

II. 스마트 컨트랙트 개요

2-1 스마트 컨트랙트

 

 

스마트 컨트랙트는 자체 실행 가능한 프로그램 코드로서 블록체인에 배포되어 신뢰할 수 없는 두당사자간 계약을 자동으로 이행하는데 사용함.

이더리움은 가장 일반적으로 사용되는 튜링 완전(Turing Complete) 블록체인 플랫폼으로 개발자가 소유권, 트랜잭션형식 및 상태 전환기능에 대한 자체 임의 규칙을 사용하여 스마트 컨트랙트를 작성하는데 사용함.

 

 

 

2-2 스마트 컨트랙트 동작방식

 

 

스마트 컨트랙트로 구현하고자 하는 내용을 솔리디티 등의 프로그래밍 언어로 구현함.

해당 코드를 컴파일하여 네트워크에 배포할 수 있도록 바이트 코드를 생성하는데 트랜잭션에는 바이트 코드를 담아 채굴자가 해당 트랜잭션이 담긴 블록을 채굴함으로써 트랜잭션은 블록체인 네트워크에 기록됨.

참여자는ABI(Application Binary Interface)를 통해 배포된 스마트컨트랙트 코드에 정의된 함수를 호출하는 바이트코드를생성하고, 트랜잭션에 담아 블록체인 네트워크에 전달함.

채굴자는 참여자의 바이트코드를 배포된 스마트 컨트랙트 코드에 따라 EVM(EthereumVirtual Machine) 상에서 실행하며, 이때 수수료인 가스(gas)가 계산되면서 블록에 추가되고실행 결과가 유효한 경우 실행 결과가 반영됨.

 

 

* Solidity 란?

 

Solidity는 스마트 컨트랙트를 구현하기 위한 컨트랙트 기반의 고급 프로그래밍 언어를 뜻한다.

 

 

*ABI란?

 

ABI란 두개의 바이너리 프로그램 모듈 사이의 인터페이스를 말하는데, 기계 수준, 이진값 수준에서 인터페이스를 뜻한다.

이진은 Binary로 0과 1을 뜻하는데 컴퓨터에서 가장 low-level을 나타낸다. ABI는 이렇게 바이너리 수준에서의 인터페이스르 뜻한다.

위 정의에서 말하는 모듈은 라이브러리 혹은 Operating System과 사용자에 의해서 실행되는 프로그램을 의미한다.
윈도우 환경에서 내 프로그램을 돌리는 경우를 생각해 볼 수 있다.

그런데 ABI가 호환되어야 프로그램을 돌릴 수 있다. 맥 환경에서 Window 응용 프로그램을 돌릴 수 없는 것이 ABI가 호환되지 않기 때문이다.

 

 

[ 참고 자료 ]

ABI란? (velog.io)

ABI란?

 

솔리디티 - 해시넷 (hash.kr)

솔리디티 - 해시넷

 

 

II. 스마트 컨트랙트 취약점 및 대응방안 분석3-1 코드 레벨 취약점 분석 필요성

3-1 코드 레벨 취약점 분석 필요성

 

스마트 컨트랙트는 스마트 컨트랙트를 작성하는데 있어서 코드 재사용을 하는 경우가 대다수임.

일반적으로 사용되는 패턴을 사용하게 되면 어느정도 검증된 코드를 사용할 수 있고, 유지 보수하기에도 편하다는 장점이있다.

하지만 코드를 재사용하게되면 원본코드에 취약점이 발생하는 경우 해당코드를 사용한 모든프로젝트에 같은 취약점이 존재하게 된다는 문제가 있음.

스마트컨트랙트에 코드를 재사용한 경우 한번 배포가 되면 수정이 불가능한 점으로인해 해당 컨트랙트는 더 이상 사용할수 없는 상황이 발생하게 될 수 있음.

2018년 싱가포르 국립대학교와 런던대학교의 연구를 통해 이더리움 네트워크에서 약 34,000개 이상의 취약한 스마트 컨트랙트가 발견되었음.

ZEUS라는 논문에 따르면, 약 2만2400개의 스마트 컨트랙트 코드 중 약95%에 달하는 스마트컨트랙트가 하나 이상의 취약점을 가지고 있음.

 

본 절에서는 DASP TOP10에 명시된 대표적인 스마트컨트랙트 취약점을 코드 레벨에서 분석하였음.

 

 

 

 

3-2 Re-entrancy

 

 

재진입 취약점은 컨트랙트의 어떤 함수가 호출된 후 호출이 완료되기 전 동일한 함수가 다시 호출되는 취약점으로 재귀 호

출과 동일함.

 

재귀호출은 프로그램을 작성하는 여러 가지 방법 중 하나이며, 그 자체로는 취약점이 될 수 없음.

 

하지만 재진입 취약점은 의도하지 않은 재귀 호출이 발생함으로써 문제가 됨.

실제로 DAO Attack에 사용된 취약점으로 공격자는 이 취약점을 사용하여 컨트랙트에서 6천만 달러 상당의 이더 토큰을 탈취하였음.

 

 

 

*재진입 취약점

 

Reentrancy란?

A 컨트랙트가 실행되며 B 컨트랙트를 호출했을 때 B에서 다시 A를 호출하는 것으로, 이더리움 스마트 컨트랙트의 특징 중 하나는 그들이 다른 외부 컨트랙트의 코드를 호출하고 활용할 수 있다는 것이다.

스마트컨트랙트는 일반적으로 이더리움(eth)을 다루며 외부 유저의 지갑으로 이더리움을 보낼 수 있다.

이러한 동작은 컨트랙트가 외부 호출을 할 수 있어야만 가능하다. 이러한 외부 호출은 공격자에게 hijack 당할 가능성을 만들어준다.

공격자는 이런 기능을 이용하여 피공격 컨트랙트로 하여금 외부 코드를 실행하도록 강제하고(fallback 함수를 이용함으로써), 이런 외부 코드에서는 피공격 컨트랙트를 다시 호출하는 방식으로 동작하게끔 하는데 이를 Reentrancy Attack, 재진입 공격이라 한다. 

 

 

 

 

 

[ 참고 자료 ]

 

 

[Security] 1. Reentrancy (velog.io)

 

 

The DAO 해킹 사건(2016) 분석. 배경 | by Seungmin Jeon | Medium

 

 

 

그림 1은 재진입 취약점이 존재하는 코드로 두번째 require문 이하 코드에서 이더가 컨트랙트 외부로 전송된 후 상태변수가 업데이트되어 취약점이 존재함.

 

대응 방안으로는 솔리디티 공식 문서에 작성된 보안 권장 사항인 Checks-Effects-Interaction Pattern을 사용하는 방법이 있으며 내용은다음과같음.

 

컨트랙트에 작성된 함수에 대해 함수를 호출한 사람, 범위내인수인지, 충분한 이더를 전송하였는지등에대한 검사를 수행함.

다음으로 모든 검사를 통과하면 현재 컨트랙트의 상태 변수에 영향을 주고,다른 컨트랙트와의 상호작용은 모든 기능의 마지막 단계에서 이루어져야함.

 

 

 

[ 참고 자료 ]

 

[ 스마트 컨트랙트: Security 패턴. Checks Effects Interaction 패턴 | by Seungwon Go | ReturnValues | Medium

 

 

 

 

 

3-3 Access Control

 

Solidity에서 함수는 함수를 호출할 수 있는 방법을 지정하는 접근자(public, private, internal, external)가있음. 
해당 지정하는 함수를 사용자가 외부적으로 호출할 수 있는지, 다른 컨트랙트에 의해 내부적으로만 또는 외부적으로만 호출할 수 있는지에 대한 여부를 결정함.

함수는 기본적으로 사용자가 외부에서 호출할 수 있는 public으로 지정되어 있음. 

 

접근제어 취약점은, 접근해서는 안되는 함수와 코드에 함수의 접근자를 무시함으로써, 허용되지않은 사용자가 접근함으로써 발생함.

 

 

 

 

그림2 에서 함수A, B와 같이 접근자를 설정하지 않으면 기본적으로 public으로 설정됨. 

 

public으로 설정된 함수는 공격자가 배포된 컨트랙트에서 해당함수를 호출하여 소유자를 공격자의 주소로 재설정할 수 있음.

 

대응방안으로는 컨트랙트를 작성할때 모든함수에 대해 접근자를 항상 명시하는 간단한 방법으로도 취약점에 대한 예방이 가능함. 

 

Solidity 최신버전에서는 지정자가 설정되지 않은 함수에 대해 컴파일중경고를 표시함.

 

 

 

 

 

3-4 Denial of Service

 

 

이더리움의 블록은 담을 수 있는 Gas 양의 제한이 있음.

Gas Limit에 도달했거나 예상치 못한 throw를 실행시켰을 때 사용할 수 없는 계약이 되어버리는 취약점임.

Gas Limit를 초과하게 되는 경우 트랜잭션 수행이 한 상황으로 컨트랙트가 초기화가 되고, 컨트랙트를 영원히 사용할 수 없을 가능성이 있음.

그림 3의 코드는 공격자가 의도적으로 배열에 인자를 무수히 늘릴 수 있어 블록의 Gas Limit을 초과시킬 수 있는 취약점이 존재함.

 

 

 

 

그림 3의 코드는 공격자가 의도적으로 배열에 인자를 무수히 늘릴 수 있어 블록의 Gas Limit을 초과시킬 수 있는 취약점이 존재함.

 

대응 방안으로는 컨트랙트에 시간이 지남에 따라 무한히 커질 수 있을 것으로 예상되는 배열이 있는 경우, 전체 데이터구조에 걸쳐 반복하는 형태의 작업을 지양해야 함.

 

알 수 없는 크기의 배열을 반복하여 사용하는 경우 단일 트랜잭션에서 이더를 전송하지 않도록 하여 각 트랜잭션에 필요한 가스를 줄여서 블록 가스 한도를 초과할 위험을 줄이는 것이 중요함.

 

 

 

📌결론

 

 

본 논문에서는 이더리움 스마트 컨트랙트 보안 취약점과 취약점별 대응 방안을 분석하였음.

스마트 컨트랙트 취약점에 대한 분석과 대응 방안에 맞춰 스마트 컨트랙트를 작성하는 것이 보안상 권장됨.

최근에 블록체인 기반의 DID, NFT 등 기술들이 개발되어 서비스화 되어가고 있고, 특히 NFT의 경우 이더리움 표준에 따라 스마트 컨트랙트 코드가 작성되고 있음.

이에, 스마트 컨트랙트 보안 취약점 대응 방안에 대한 최신화된 진단도구와 가이드라인을 지속적으로 연구할 필요가 있음.

 

📌느낀점

 

이더리움이나 블록체인과 관련하여 얕지만 가지고 있는 지식들을 동원하여 해당 논문을 읽고 이해하며 찾아보고 분석해봤다.

재진입 취약점, 솔리티디 언어등 새로운 내용들을 학습하고 해당 취약점 사례와 비교하면서 내용을 이해하니 다소 수월하게 이해할 수 있었다. 해당 코드를 완벽히 이해할 수는 없지만, 이러한 부분이 스마트컨트랙트에서 쉽게 발생할 수 있는 취약점이며 앞으로 블록체인이 더 다양한 분야에서 활용될 것이니 만큼 해당 문제를 어떤 식으로 해결해나가야할지 필자가 제안하는 방법을 포함하여 연구될 필요가 있다는 생각이 들었다.

 

 

📌참고 논문

이더리움 스마트 컨트랙트 보안 취약점 분석 및 대응방안에 대한 연구.pdf

0.29MB