Alleysira's blog
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EVM_security

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调研区块链虚拟机安全

EVM的不同实现

其他VM

  • NEO VM：采用C#实现，Neo链目前的市值排行66，NEO支持多种常用的编程语言，如C#、Java和Python等编写智能合约
  • Solana Virtual Machine：Solana链（市值第7）上的虚拟机，rust实现.
    • 智能合约语言可以是Rust, C, and C++，翻译成BPF字节码执行；支持交易并行
    • Neon用于solana和EVM对齐
  • Cardano：token ADA，目前市值排行8，采用Haskell语言实现，以KEVM,EVM的形式化验证版本为基础
    • 其中Milkomeda C1是Cardano对应的EVM侧链
  • Tezos：目前的市值排行52，项目采用的语言是OCaml，合约采用的编程语言是Archetype, LIGO, 和SmartPy，翻译为底层语言Michelson后在VM上执行

WASM

  • EOSIO, EOS-VM：第一个DpoS的链，C++实现，目前的市值排行57，采用WebAssembly（WASM）作为底层引擎，通过即时编译技术将智能合约字节码转换为本地机器码；同样支持多种编程语言，包括C++、Rust、Python等编写智能合约
  • Near：采用Rust实现，Wasm作为执行引擎，市值排行43
  • 国内的迅雷公司的迅雷链：采用Wasm作为VM，目前提供数字藏品
  • Tron：市值10声称要支持WASM，但是根据官方白皮书的介绍，目前采用的实现是以太坊的fork
  • Hera：Geth采用的Wasm，需要EVMC的支持
  • awesome-wasm-tools：Wasm静态分析、动态分析和相关论文的仓库

学习资料

MOVE VM

以太坊客户端

什么是客户端多样性：https://ethereum.org/en/developers/docs/nodes-and-clients/client-diversity/

客户端多样性：https://clientdiversity.org/

  • 执行客户端
  • 共识客户端

根据以太坊主网的统计数据显示，geth是使用最广泛的执行客户端

image-20231012160435832

  • Geth：占比50.0%，采用go语言实现，最常用的客户端
    • 支持Mainnet, Sepolia, Goerli
  • Nethermind：占比29.3%，采用C#实现
    • 支持Mainnet, Sepolia, Goerli, and more
  • Erigon：占比11.12%，采用go语言实现，作为Openethereum的后继者
    • Mainnet, Sepolia, Goerli, and more
  • besu：占比9%，Java实现，Hyperledger 项目的一部分，是一个企业级以太坊客户端
    • Mainnet, Sepolia, Goerli, and more
  • reth：占比0.5%，Rust实现
    • Mainnet, Sepolia, Goerli, and more

  • Openethereum：采用Rust实现，曾经仅次于geth， August 4, 2021已被弃用

  • Coregeth：Go实现，Geth的下游发行版

EVM兼容的区块链

所有兼容EVM的区块链可见 EVM公链列表CoinCarp

Ethereum持久化存储调研

调研以太坊的持久化存储包含的内容，以及哪些操作码会直接影响持久化存储

以太坊操作码语义：https://www.ethervm.io/

https://noxx.substack.com/p/evm-deep-dives-the-path-to-shadowy-5a5?s=r

学习数据结构博客：https://medium.com/shyft-network/understanding-trie-databases-in-ethereum-9f03d2c3325d

以太坊黄皮书

状态和区块

以太坊的世界状态 state 是地址(160bit)和账户状态(RLP)的映射，映射采用Merkle-Patricia树维护，具体由后端数据库去维护字节数组到字节数组的映射

账户状态$\sigma[a]$包含四个字段：

  • nonce：地址发出的交易数量（如果账户有对应的代码，则表示账户创建的合约数量），$\sigma[a]$表示状态$\sigma$中地址$a$的nonce值
  • balance：账户地址有多少wei，1 ETH=$10^{18}$ wei
  • storgeRoot：账户存储内容的Merkle Patricia树的根节点的256bit哈希值
  • codeHash：EVM代码的哈希值，创建后不可更改，即 $KEC(b)=\sigma[a]_c$

区块头

  • parentHash: 父区块头的Keccak 256 位哈希

  • ommersHash：已经废弃，目前是常量KEC(RLP(()))

  • beneciary：160bit的地址，表示获得挖矿奖励的地址

  • stateRoot：所有交易执行完且区块定稿后状态树根节点的Keccak 256 位哈希

  • transactionRoot：当前区块中所有交易组成的树的根节点的Keccak 256 位哈希

    • standalone EVM仅包含1个交易

  • receiptsRoot：当前区块中所有交易的收据组成的树的根节点的Keccak 256 位哈希

    • standalone EVM中没有相关结构

  • logsBloom：当前区块中所有交易的收据中可索引的信息（包括产生日志的地址和日志主题）组成的Bloom过滤器

  • difficulty：当前区块的难度水平，可以根据前一个区块的难度和时间戳计算得到

  • number：当前区块祖先区块的数量，用于PoW，现在已经被弃用，设置为常数0

  • gasLimit：当前区块的gas消耗上限

  • gasUsed：交易开销的gas

  • timestamp：Unix时间

  • extraData：小于32 bytes的任意数据

  • prevRandao：共识层产生的伪随机值，https://github.com/ethereum/consensus-specs

    • solidity0.8.18已经支持该操作码，发现geth0.13.4版本存在空指针

    • ```
      ./evm —debug —verbosity 1 —gas 0xffffff —nomemory=false —json —sender 0x1c7cd2d37ffd63856a5bd56a9af1643f2bcf545f —receiver 0x000000000000000000000000636F6E7472616374 —code 6080604052348015600e575f80fd5b50600436106026575f3560e01c80639ceee80c14602a575b5f80fd5b60306044565b604051603b91906061565b60405180910390f35b5f44905090565b5f819050919050565b605b81604b565b82525050565b5f60208201905060725f8301846054565b9291505056fea264697066735822122097f788bd78037d47c3e87ca3ee039171808cf9ea275785553c6ccd08d982424464736f6c63430008170033 —input 9ceee80c —prestate ./genesis.json run 

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      - 在geth 0.14.0进行验证，发现该版本对push0的支持有问题，已报告 https://github.com/ethereum/go-ethereum/issues/28690

      - ```
        ./evm --debug --verbosity 1 --gas 0xffffff --nomemory=false --json --sender 0x1c7cd2d37ffd63856a5bd56a9af1643f2bcf545f --receiver 0x000000000000000000000000636F6E7472616374 --code 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 --input b349cb320000000000000000000000009957acb0b63afca54257b634bc605ec639f8165c --prestate ./genesis.json run

  • nonce：由于PoW被替换后废弃，64bit的0

  • baseFeePerGas：每单位gas对应wei

执行模型

基础

EVM是一个准图灵机，准来源于计算是由gas限制的

基于栈的架构，字长256bit，栈的深度为1024，所有内存和存储初始化为0

和冯诺依曼架构不同，代码存储在虚拟机的ROM，只有特定的指令可以交互。发现异常时EVM会中断执行，告知上层的执行环境进行处理

gas概述

三种不同条件下收取

  • 操作的计算
  • 执行低级别的函数调用或函数创建
  • 内存使用增加

存储费用的目的是激励最小化的存储使用（清除存储内的值的gas不但被免除，还会得到refund

machine state $\mu=(g,pc,m,i,s)$包括可用的gas，程序计数器，内存的内容，内存中已经使用的字，栈的内容

合约实践

  • 外部数据获取：调用oracle合约的用户需要自行决定对被调用oracle合约的信任
  • 随机数：利用执行交易时尚未知的信息作为随机源，如利用前256个区块的BLOCKHASH、区块的哈希值、区块的时间戳、区块的beneficiary地址

Besu

Not available in evm-tools

build my own

0X55 SSTORE, 0X5D TSTORE

0XF0 CREATE, 0XF5 CREATE2

0XFD REVERT, 0XFF SELFDESTRUCT

EIP paper

测试用例

数据集

总结

  • 可能的研究方向
    • 虚拟机：目前学术论文的研究对象主要是EVM的官方实现（geth/aleth/js-evm/openethereum）和EVM兼容的链（FISCO-BCOS-evm），逐渐开始有向其他公有链项目采用的VM进行延伸（Neo）的工作。后续工作可以考虑对其他EVM兼容的区块链上的EVM实现（如SputnikVM）进行差分模糊测试和对其他非EVM的知名公有链的虚拟机（EOS-VM/Solana/Cardano）安全性进行研究
    • 客户端：现有的对以太坊客户端的测试主要以Geth为主。但是从以太坊官方的统计数据来看，除了Geth之外，Nethermind、Eriqon、besu同样占有较大的比例，对以上客户端内的EVM实现进行差分模糊测试也是具有一定研究意义的
  • 目前探索的方向：学习EVMfuzzer和NeoDiff，扩展到EVM compatible的链上

其他资料

Videos

The Ethereum Virtual Machine

at https://youtu.be/uke_ZWAXHSc?si=nRH5NRB59oXJrkPJ

EVM的架构

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EVM和VM的区别

image-20240729151959465

The Ethereum Virtual Machine Instruction Set

Not interesting