TON智能合約的安全隱患與優(yōu)化建議
在區(qū)塊鏈技術(shù)快速發(fā)展的今天，TON (The Open Network) 作為一款高效且靈活的區(qū)塊鏈平臺，正受到越來越多開發(fā)者的關(guān)注。TON 的獨特架構(gòu)和特性為去中心化應(yīng)用的開發(fā)提供了強大的工具和豐富的可能性。
然而，隨著功能和復(fù)雜性的增加，智能合約的安全性也變得越來越重要。FunC 作為 TON 上的智能合約編程語言，以其靈活性和高效性著稱，但同時也帶來了許多潛在的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。編寫安全可靠的智能合約，需要開發(fā)者深刻理解 FunC 語言的特性以及可能存在的風(fēng)險。
本文將詳細分析在 TON 區(qū)塊鏈上的一些與智能合約有關(guān)的特性，以及TON上智能合約容易被忽略的漏洞點。
Ton 異步特性與賬戶機制解析
智能合約異步調(diào)用
網(wǎng)絡(luò)分片與異步通信
TON 區(qū)塊鏈在設(shè)計上分為三種鏈：主鏈(Masterchain)，工作鏈(Workingchains）和分片鏈(Shardchains)。
主鏈是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，負責(zé)存儲全網(wǎng)的元數(shù)據(jù)和共識機制。它記錄所有工作鏈和分片鏈的狀態(tài)，并確保全網(wǎng)的一致性和安全性。工作鏈是獨立的區(qū)塊鏈，最多有 2^32條，負責(zé)處理特定類型的交易和智能合約。每個工作鏈可以有自己的規(guī)則和特性，以滿足不同的應(yīng)用需求。分片鏈是工作鏈的子鏈，用于進一步分割工作鏈的負載，提升處理能力和擴展性。每個工作鏈最多拆分為 2^60 個 shard chain，分片鏈獨立處理部分交易，從而實現(xiàn)高效的并行處理。
理論上每一個賬戶都可以獨占一個 shard chain，每一個賬戶獨立維護自己的 COIN/TOKEN 余額，每一個賬戶間的交易都可以完全并行。賬戶與賬戶間通過異步消息進行傳遞，消息在 shard chain 間傳遞的路徑為 log_16(N) - 1，其中 N 為 shard chain 的數(shù)量。
圖源：https://frontierlabzh.medium.com/ton-web3世界的weixin-e1d3ae3b3574
在Ton中，智能合約通過發(fā)送和接收消息進行交互。這些消息可以是內(nèi)部消息（一般來說是智能合約互相交互所發(fā)送的消息）或外部消息（由外部來源發(fā)送的消息）。消息的傳遞過程不需要等待目標合約的立即響應(yīng)，發(fā)送方可以繼續(xù)執(zhí)行其余的邏輯代碼。這種異步消息傳遞機制相較于以太坊的同步調(diào)用，提供了更高的靈活性和擴展性，減少了因等待響應(yīng)導(dǎo)致的性能瓶頸，同時也帶來了處理并發(fā)和競爭條件的挑戰(zhàn)。
消息格式與結(jié)構(gòu)
在Ton中，消息通常包含發(fā)件人、收件人、金額、消息體等信息。消息體可以是函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)傳輸或其他自定義內(nèi)容。Ton使用的消息格式可以靈活定義和擴展，使得不同合約之間能夠高效傳遞各種類型的信息。
消息隊列與狀態(tài)處理
每個合約都維護一個消息隊列，存儲尚未處理的消息。合約在執(zhí)行過程中，會根據(jù)隊列中的消息逐個處理。由于消息處理是異步的，合約的狀態(tài)在收到消息之前不會立即更新。
異步消息傳遞的優(yōu)勢
•高效的分片機制：Ton的異步機制與其分片設(shè)計高度契合。每個分片獨立處理合約的消息和狀態(tài)變化，避免了跨分片同步通信帶來的延遲問題。這種設(shè)計提升了整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和可擴展性。
•降低資源消耗：由于異步消息不要求即時響應(yīng)，Ton的合約執(zhí)行可以分散在多個區(qū)塊內(nèi)完成，避免了單個區(qū)塊內(nèi)資源的過度消耗。這使得Ton能夠支持更為復(fù)雜和資源密集型的智能合約。
•容錯性與可靠性：異步消息的傳遞機制使得系統(tǒng)更具容錯性。例如，如果某個合約由于資源限制或其他原因無法及時響應(yīng)消息，發(fā)送方仍然可以繼續(xù)處理其他邏輯，系統(tǒng)不會因為單個合約的延遲而停滯。
異步合約設(shè)計的挑戰(zhàn)
•狀態(tài)一致性問題：由于消息傳遞是異步的，合約的狀態(tài)在不同時刻可能會接收到不同的消息，這需要開發(fā)者特別注意狀態(tài)一致性問題。在設(shè)計合約時，必須考慮到不同消息順序可能帶來的狀態(tài)變化，確保系統(tǒng)在任何情況下都能保持一致性。
•競爭條件與防護：異步消息處理帶來了潛在的競爭條件問題，多個消息可能同時嘗試修改合約狀態(tài)。開發(fā)者需要引入適當?shù)逆i機制或使用事務(wù)性操作來防止狀態(tài)沖突。
•安全性考量：異步合約在處理跨合約通信時，容易受到中間人攻擊或重放攻擊。因此，在設(shè)計異步合約時，必須考慮到這些潛在的安全風(fēng)險，并采取措施防止它們發(fā)生，如使用時間戳、隨機數(shù)或多重簽名等手段。
賬本模型
Ton（The Open Network）在設(shè)計其區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施時，采用了一種獨特的賬戶抽象和賬本模型。這個模型的靈活性體現(xiàn)在它如何處理賬戶的狀態(tài)、消息傳遞以及合約的執(zhí)行。
賬戶抽象
Ton的賬戶模型采用了一種基于合約的抽象，每個賬戶都可以視為一個合約，這與以太坊的賬戶抽象模型有一些相似之處，但更加靈活和通用。在Ton中，賬戶不僅僅是持有資產(chǎn)的容器，它們還包含了合約代碼和狀態(tài)數(shù)據(jù)。每個賬戶都由其代碼（Code）、數(shù)據(jù)（Data）和消息處理（Message Handling）邏輯組成。
賬戶結(jié)構(gòu)：每個Ton賬戶都有一個唯一的地址，該地址是由賬戶代碼的哈希值、部署時的初始數(shù)據(jù)以及一些其他參數(shù)組合而成的。這意味著同樣的代碼和初始數(shù)據(jù)部署在不同的環(huán)境下（例如，不同的區(qū)塊鏈或分片）可能會生成不同的地址。
靈活性：由于每個賬戶都可以運行自己的合約代碼，因此Ton的賬戶可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯。賬戶不僅僅是簡單的余額持有者，還可以處理復(fù)雜的狀態(tài)轉(zhuǎn)移、跨賬戶的消息通信、甚至是基于特定條件的自動化操作。這使得Ton的賬戶模型比傳統(tǒng)區(qū)塊鏈上的賬戶模型更具擴展性和靈活性。
賬本結(jié)構(gòu)
Ton的賬本結(jié)構(gòu)設(shè)計為高效處理大規(guī)模并發(fā)交易，支持異步消息傳遞和多分片操作。每個賬戶的狀態(tài)保存在Merkle樹結(jié)構(gòu)中，這使得Ton的賬本具有高效的狀態(tài)驗證能力。
狀態(tài)存儲
賬戶的狀態(tài)信息被存儲在持久化存儲中，并通過Merkle樹進行組織，以確保狀態(tài)的完整性和安全性。這種設(shè)計還支持狀態(tài)的高效查詢和驗證，尤其是在跨分片交易的場景中。
帳戶或智能合約狀態(tài)通常包含以下內(nèi)容：
1.基礎(chǔ)貨幣的余額
2.其他貨幣的余額
3.智能合約代碼（或其哈希）
4.智能合約的持久化數(shù)據(jù)（或其Merkle哈希）
5.有關(guān)持久化存儲單元數(shù)和使用的原始字節(jié)數(shù)的統(tǒng)計信息
6.智能合約持久存儲的付款的最近時間（實際上是主鏈塊號）
7.轉(zhuǎn)移貨幣并從此帳戶發(fā)送消息所需的公鑰（可選; 默認情況下等于 account_id 本身）。在某些情況下，類似于比特幣交易輸出所做的，可以在此處找到更復(fù)雜的簽名檢查代碼; 然后 account_id 將等于此代碼的哈希值。
并非所有的信息都是每個帳戶必須需要的。例如，智能合約代碼僅適用于智能合約，但不適用于“簡單”賬戶。此外，雖然任何賬戶必須具有主要貨幣的非零余額（例如，基本工作鏈的主鏈和分片鏈的 Gram），但其它貨幣的余額可能為零。為了避免保留未使用的數(shù)據(jù)，在工作鏈的創(chuàng)建期間定義了一個 sum-product 類型，它使用不同的標記字節(jié)來區(qū)分不同的“夠造函數(shù)“。最終，帳戶狀態(tài)本身被保存為 TVM 持久化存儲的單元集合。
消息傳遞與處理
Ton的賬本結(jié)構(gòu)內(nèi)置了對異步消息傳遞的支持，每個賬戶可以獨立處理接收到的消息并更新其狀態(tài)。這種異步消息機制允許賬戶之間進行復(fù)雜的交互，而不會因為某個操作的延遲而影響其他賬戶的正常運行。
Gas 模型
Ton（The Open Network）區(qū)塊鏈通過其獨特的 Gas 費模型大幅優(yōu)化了智能合約的執(zhí)行效率。Gas 費模型在區(qū)塊鏈中用于衡量和限制智能合約執(zhí)行過程中消耗的資源。與傳統(tǒng)區(qū)塊鏈（如以太坊）的 Gas 模型相比，Ton 的模型設(shè)計更為復(fù)雜且高效，能夠更精確地管理合約執(zhí)行過程中的資源消耗。
細化的Gas消耗測量
Ton的Gas模型能夠精確測量智能合約在執(zhí)行過程中消耗的計算資源、存儲操作以及消息傳遞成本。通過對計算、存儲和消息傳遞等資源的細化測量，Ton 的 Gas 模型能夠防止某些復(fù)雜度過高的操作占用過多的資源。通過限制 Gas 消耗，Ton 確保了網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點都能公平地分配計算資源，避免單一合約或操作對網(wǎng)絡(luò)資源的過度消耗。
并行處理與 Gas 優(yōu)化
Ton 支持智能合約的并行處理，這使得多個合約能夠同時在不同的分片上運行，而不會相互阻塞。在這種設(shè)計下，其 Gas 模型與其并行執(zhí)行和分片機制緊密結(jié)合，通過在多個分片上并行處理合約，Ton 可以將 Gas 的計算和支付分散到不同的節(jié)點和鏈上，避免了網(wǎng)絡(luò)擁堵，同時最大化了資源利用率。
動態(tài) Gas 調(diào)整機制
Ton 的 Gas 模型中包含了動態(tài)調(diào)整機制，允許根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實時負載情況對 Gas 費進行調(diào)整。這意味著在網(wǎng)絡(luò)負載較低時，用戶可以以較低的 Gas 費執(zhí)行合約，從而鼓勵在低負載時段進行操作，平衡網(wǎng)絡(luò)的資源使用。這種機制不僅提升了用戶體驗，還通過市場化的方式控制了資源的使用峰值。
Ton 智能合約易忽略漏洞
在我們上一篇TON的安全分析文章中已經(jīng)詳細介紹了Ton生態(tài)的常規(guī)安全漏洞，也可參考下表:
本文將重點介紹我們團隊總結(jié)出的TON合約中容易被忽略的漏洞點：
(1) 代碼可讀性優(yōu)化
在TON的智能合約中，會使用數(shù)字來存儲消息發(fā)送的相關(guān)數(shù)據(jù)，例如下面的代碼中，多次使用數(shù)字來表示對應(yīng)的標識和數(shù)據(jù)存儲長度，這樣大大降低降低代碼的可讀性和可維護性。其他開發(fā)者在閱讀這些代碼時，很難理解這些數(shù)字的意義和用途。為了提高代碼的可讀性和可維護性，建議將關(guān)鍵的數(shù)字值定義為具名常量，例如：0x18定義為NON_BOUNCEABLE。
另外，在合約判斷條件中的錯誤提示信息，同樣建議定義對應(yīng)的變量替換錯誤碼。
(2)使用end_parse()確保數(shù)據(jù)完整性
在TON合約中，數(shù)據(jù)解析遵循固定的順序，從原始數(shù)據(jù)中逐步加載指定類型的數(shù)據(jù)。這種解析方式確保了數(shù)據(jù)的一致性和準確性。如下所示：
注意這里的end_parse()用于檢查數(shù)據(jù)切片（slice）是否為空，如果切片不為空，函數(shù)會拋出一個異常。這樣可確保數(shù)據(jù)的格式和內(nèi)容都是符合預(yù)期的。如果end_parse()函數(shù)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)切片中仍然有剩余的數(shù)據(jù)，這可能表明數(shù)據(jù)解析沒有完全按照預(yù)期進行，或者數(shù)據(jù)的格式存在問題。因此，通過調(diào)用end_parse()，可以檢查是否解析過程中數(shù)據(jù)有遺漏或異常。
(3)數(shù)據(jù)記載和存儲類型不匹配引發(fā)的異常
這里主要需要說明的是int和uint的存取類型匹配，如下所示的代碼中，數(shù)據(jù)存儲時使用了store_int()來存儲int類型的值為-42，但是卻使用了load_uint()來加載這個值，這里就可能出現(xiàn)異常。
(4)inline_ref和inline修飾符的合理使用
首先，需要闡述一下inline_ref和inline修飾符的區(qū)別：
lInline：使用inline修飾符的函數(shù)，其代碼會在每次調(diào)用時被直接插入到調(diào)用位置。也就是說，每次調(diào)用函數(shù)時，函數(shù)的實際代碼會被復(fù)制到調(diào)用的位置，而不是像普通函數(shù)那樣通過跳轉(zhuǎn)到函數(shù)體執(zhí)行。
linline_ref：使用 inline_ref修飾符的函數(shù)，其代碼存儲在一個獨立的cell中。每次調(diào)用函數(shù)時，TVM通過CALLREF命令來執(zhí)行存儲在cell中的代碼，而不是在調(diào)用位置插入函數(shù)代碼。
所以，inline修飾符適用于簡單函數(shù)，減少函數(shù)調(diào)用開銷，但可能導(dǎo)致合約代碼重復(fù)；而inline_ref 修飾符適用于較復(fù)雜或被多次調(diào)用的函數(shù)，通過將函數(shù)代碼存儲在單獨的cell中來提高效率，避免了代碼重復(fù)。那么可以總結(jié)為：當函數(shù)較大或被多個地方調(diào)用時，建議使用inline_ref；反之，則建議使用inline。
(5)確定正確的工作鏈
TON允許創(chuàng)建多達2^32條工作鏈，每條工作鏈則可以細分為多達2^60個分片，前只有2個工作鏈：主鏈(-1)和基本鏈(0)。合約中計算目標地址時，必須明確指定目標地址所屬的鏈ID，以確保生成的錢包地址位于正確的工作鏈上。為了避免生成錯誤地址，建議使用 force_chain() 強制指定鏈ID。
(6)避免錯誤碼沖突
合約設(shè)計中，為了確保規(guī)范性和避免混淆，錯誤碼的管理非常關(guān)鍵。對于TON智能合約，首先應(yīng)確保每個錯誤碼在合約中是唯一的，避免在同一個合約中定義重復(fù)的錯誤碼，以防止錯誤碼的混淆和信息的不明確；其次TON平臺或底層系統(tǒng)已經(jīng)定義了一些標準的錯誤碼，應(yīng)避免與這些系統(tǒng)錯誤碼沖突，例如333錯誤碼表示的鏈ID不匹配。所以建議合約的錯誤碼最好在400到1000之間。
(7)操作完成后需要存儲數(shù)據(jù)和調(diào)用return()
在TON智能合約中，消息處理會根據(jù)op-code選擇不同的邏輯。完成對應(yīng)業(yè)邏輯后，還需完成兩項操作：首先，如果涉及數(shù)據(jù)更改，必須調(diào)用save_data()以確保數(shù)據(jù)被存儲，否則更改將無效；其次，必須調(diào)用return()以表示該操作完成，否則將觸發(fā)throw(0xffff)異常。
綜上所述，TON 區(qū)塊鏈憑借其創(chuàng)新的架構(gòu)和靈活的開發(fā)環(huán)境，正逐漸成為去中心化應(yīng)用開發(fā)者的理想平臺。然而，隨著智能合約在 TON 生態(tài)系統(tǒng)中扮演越來越重要的角色，合約安全性問題也不容忽視。開發(fā)者應(yīng)深入了解TON 生態(tài)的特性，嚴格遵循最佳實踐，強化安全審計流程，確保合約的穩(wěn)健性與安全性。只有這樣，才能充分發(fā)揮 TON 平臺的優(yōu)勢，構(gòu)建更加安全可靠的去中心化應(yīng)用，為整個生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展保駕護航。
目前TON生態(tài)正在快速發(fā)展，吸引了大量的資金與活躍用戶。然而，隨之而來的安全問題也不容忽視。
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