🎯 Ethernaut Level 18: Magic Number - 手写EVM字节码

关卡链接: Ethernaut Level 18 - Magic Number
攻击类型: EVM字节码编写
难度: ⭐⭐⭐⭐⭐

📋 挑战目标

你需要部署一个合约，它必须满足两个条件：

1. 它的运行时字节码（runtime bytecode）大小不能超过10个字节。
2. 当调用它的 whatIsTheMeaningOfLife() 函数时，必须返回 42。

🔍 漏洞分析

这个挑战将我们带入EVM的底层。使用Solidity编写一个返回42的函数非常简单，但编译后的字节码会远远超过10字节的限制，因为它包含了函数调度器、安全检查等大量额外代码。

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// 编译后字节码会很长，无法通过关卡
contract NormalSolver {
    function whatIsTheMeaningOfLife() public pure returns (uint256) {
        return 42;
    }
}

因此，我们必须手动编写EVM字节码。我们需要分别构建两部分代码：

1. 运行时代码 (Runtime Code): 这是最终存储在链上的代码，负责在被调用时返回42。这部分代码的长度必须小于等于10字节。
2. 创建代码 (Creation Code): 这是部署合约时执行的代码。它的任务只有一个：将运行时代码返回，以便EVM将其存储为新合约的代码。

1. 构建运行时代码 (Runtime Code)

我们的运行时代码需要做两件事：

1. 将数字 42 (十六进制为 0x2a) 放入内存。
2. 从内存中返回这个数字。

这需要以下操作码（Opcodes）：

执行步骤如下：

1. PUSH1 0x2a: 将 42 压入堆栈。
2. PUSH1 0x80: 将内存地址 0x80 压入堆栈。（0x80 是Solidity中自由内存指针的起始位置，使用它是惯例）。
3. MSTORE: mstore(0x80, 0x2a)，将 42 存入内存。
4. PUSH1 0x20: 将返回值大小 32 字节（一个 uint256）压入堆栈。
5. PUSH1 0x80: 将返回的内存地址 0x80 压入堆栈。
6. RETURN: return(0x80, 0x20)，返回结果。

将这些步骤转换为字节码：
602a 6080 52 6020 6080 f3

这个字节码的长度是10字节：0x602a60805260206080f3。完美符合要求！

2. 构建创建代码 (Creation Code)

创建代码的任务是将上面的10字节运行时代码返回给EVM。它需要做两件事：

1. 将运行时代码从创建代码的末尾复制到内存中。
2. 从内存中返回这段运行时代码。

这需要 CODECOPY 操作码：

执行步骤如下：

1. 将运行时代码复制到内存 0x00 处。
2. 从内存 0x00 处返回10字节的代码。

字节码如下：

• 600a: PUSH1 0x0a (运行时代码长度: 10字节)
• 600c: PUSH1 0x0c (运行时代码在创建代码中的起始位置: 第12字节)
• 6000: PUSH1 0x00 (目标内存地址: 0)
• 39: CODECOPY
• 600a: PUSH1 0x0a (要返回的数据长度: 10字节)
• 6000: PUSH1 0x00 (要返回的内存地址: 0)
• f3: RETURN

创建代码为: 0x600a600c600039600a6000f3。它的长度是12字节。

3. 组合最终字节码

最终部署的字节码是 创建代码 + 运行时代码：
0x600a600c600039600a6000f3 + 602a60805260206080f3

最终字节码: 0x600a600c600039600a6000f3602a60805260206080f3

💻 Foundry 实现

我们可以使用 Foundry 的内联汇编和 create 操作码来部署这段字节码。

Foundry 测试代码

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

import "forge-std/Test.sol";
import "src/18_MagicNumber.sol";

interface ISolver {
    function whatIsTheMeaningOfLife() external view returns (uint256);
}

contract MagicNumberTest is Test {
    MagicNum instance;
    Attack attack;
    address player;

    function setUp() public {
        player = vm.addr(1);
        attack = new Attack();
        instance = new MagicNum();
    }

    function testAttacker() public {
        // 部署我们的手写字节码合约
        address solverAddress = attack.deploySolver();
        instance.setSolver(solverAddress);

        // 验证返回值是否为 42
        assertEq(ISolver(solverAddress).whatIsTheMeaningOfLife(), 42);

        // 验证字节码长度是否为 10
        uint256 size;
        assembly {
            size := extcodesize(solverAddress)
        }
        assertEq(size, 10);
    }
}

contract Attack {
    function deploySolver() public returns (address) {
        address solver;
        // 最终的部署字节码
        bytes memory bytecode = hex"600a600c600039600a6000f3602a60805260206080f3";
        
        assembly {
            // create(v, p, s): 部署合约
            // v: 发送的 ether 值 (0)
            // p: 字节码在内存中的位置 (bytecode + 0x20)
            // s: 字节码的长度 (mload(bytecode))
            solver := create(0, add(bytecode, 0x20), mload(bytecode))
        }
        return solver;
    }
}

关键攻击步骤

1. 设计运行时代码: 精心设计一段不超过10字节的代码，使其能够返回 42。
2. 设计创建代码: 设计一段代码，其功能是返回第一步中设计的运行时代码。
3. 组合字节码: 将创建代码和运行时代码拼接成最终的部署字节码。
4. 部署: 使用 create 操作码（可以通过内联汇编或发送裸交易）来部署这段字节码，得到求解器合约的地址。
5. 提交: 将求解器合约的地址提交给 Ethernaut 关卡。

🛡️ 防御措施

这个关卡本身不是一个漏洞，而是一个EVM编程的练习。然而，它揭示了在进行字节码级别的审计时需要注意的事项：

• 理解底层操作: 仅仅审计Solidity代码可能不足以发现所有问题。对于高度优化的或使用内联汇编的合约，必须理解其生成的EVM操作码的实际行为。
• 警惕不寻常的部署模式: 如果一个合约的创建过程不标准（例如，使用裸 create 或 create2），需要特别审查其字节码的来源和功能。

🔧 相关工具和技术

• EVM Opcodes: EVM的操作码是其执行所有计算的基础。evm.codes 是一个极好的交互式参考网站。
• 内联汇编 (assembly): Solidity允许在代码中直接嵌入汇编语言，提供了对EVM更底层的控制，但同时也带来了更大的风险和复杂性。
• create 操作码: 用于从代码中部署新合约。
• extcodesize 操作码: 用于获取一个地址上的代码大小。

🎯 总结

核心概念:

• 合约的字节码分为 creation code 和 runtime code。
• creation code 在部署时执行一次，其返回值是 runtime code。
• runtime code 是永久存储在链上的代码，响应外部调用。
• 通过直接操作EVM操作码，可以创建出非常紧凑和高效的合约。

攻击向量:

• 通过手写汇编，绕过高级语言的限制（如本例中的代码大小限制）。

防御策略:

• 在安全审计中，不能忽视对底层字节码和汇编的分析，特别是当合约行为不寻常时。

📚 参考资料

• EVM Codes - An Interactive Reference
• Deconstructing a Solidity Contract
• Solidity Docs: Inline Assembly

🔗 相关链接

• 下一关: Level 19 - Alien Codex
• 系列目录: Ethernaut Foundry Solutions
• GitHub 项目

在智能合约的世界中，最简单的漏洞往往隐藏着最深刻的安全教训。 🎓