📜 [專欄新文章] Solidity Data Collision

✍️ Wias Liaw

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這是一篇關於 Proxy Contract 和 delegatecall 的注意事項。

Delegatecall

當 A 合約對 B 合約執行 delegatecall 時，B 合約的函式會被執行，但是對 storage 的操作都會作用在 A 合約上。舉例如下：

但是假如多加了一個 other 欄位在 _value 之前，執行合約之後反而是 other 欄位被更改了。

Storage Layout

了解上面的合約之前要先了解 Solidity 怎麼儲存 State Variables。Solidity Storage 以 Slot 為單位，每個 Slot 可以儲存 32 bytes 的資訊，一個 Contract 擁有 2**256 個 Slot。上述可以寫成一個映射關係 mapping(uint256 => bytes32) slots。

Solidity 會從 Slot Index 為零開始分配給 State Variable。

除了 mapping 和 dynamically-sized array，其他的 State Variable 會從 index 為零的 slot 開始被分配。

沒有宣告確切大小的 Array 會以 Slot Index 計算出一個雜湊值並將其作為 Slot Index。透過計算 keccak256(slot) 可以得知 _arr[0] 被存在哪裡，如果要取得 _arr[1] 則將計算出來的雜湊加上 Array 的 index 即可。

Mapping 則是以 Slot Index 和 Key 計算出一個雜湊值並將其作為 Slot Index。透過計算 keccak256(key, slot) 可以得到 mapping(key => value) 被存在哪。

Storage Collision

回到 DelegateExample_v2 的合約，對 B 來說， add 最後儲存加法的 Slot Index 為零，所以使用 A 的 Storage 執行 B 的函式結果自然會儲存在 A 的 other 裡，其 Slot Index 為 0。

這個問題也發生在 Proxy Contract，Layout 如下，當有需要更改 _owner 的操作，就會順帶把 _implementation 也更改了。

|Proxy |Implementation ||--------------------------|-------------------------||address _implementation |address _owner | <= collision|... |mapping _balances || |uint256 _supply || |... |

OpenZeppelin 處理的手法也很簡單，就是將 _implementation 換地方擺。以特定字串的雜湊值作為 Slot Index，儲存 Implementation 的地址。

|Proxy |Implementation ||--------------------------|-------------------------||... |address _owner ||... |mapping _balances ||... |uint256 _supply ||... |... ||address _implementation | | <= specified|... | |

openzeppelin-contracts/ERC1967Upgrade.sol at 83644fdb6a9f75a652d2fe2d96cb26073a14f6f8 · OpenZeppelin/openzeppelin-contracts

hardhat-storage-layout

如何知道合約的 Storage Layout 呢？這邊推薦一個 Hardhat Plugin，按照文件就能得到合約的 Storage Layout。

Ethereum development environment for professionals by Nomic Labs

Reference

Understanding Ethereum Smart Contract Storage

Collisions of Solidity Storage Layouts

Proxy Upgrade Pattern - OpenZeppelin Docs

Solidity Data Collision was originally published in Taipei Ethereum Meetup on Medium, where people are continuing the conversation by highlighting and responding to this story.

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📜 [專欄新文章] Tornado Cash 實例解析

✍️ Johnson

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Tornado Cash 是一個使用 zk-SNARKs 建立的 Dapp，它實現了匿名的代幣交易，這篇文章就用一些程式碼片段，來分享它是怎麼運作的。

本文為 Tornado Cash 研究系列的 Part 3，本系列以 tornado-core 為教材，學習開發 ZKP 的應用，另兩篇為：

Part 1：Merkle Tree in JavaScript

Part 2：ZKP 與智能合約的開發入門

Special thanks to C.C. Liang for review and enlightenment.

我們知道在以太坊上的交易紀錄都是公開的，你可以在 etherscan 上看到某個地址的所有歷史交易紀錄，當然地址是合約的話也是一樣。

也許創建一個新的錢包和地址就好了？假設一個情境是 Alice 想要匿名傳送 1 ETH 給 Bob，Alice 原本的錢包是 A，但她不想讓 A 地址傳給 Bob 的交易紀錄被看到，所以 Alice 創建另一個錢包 B，顯然 B 錢包是空的，Alice 必須把 A 錢包的 1 ETH 傳到 B 錢包，再用 B 錢包的地址傳給 Bob。

但問題就在於，只要追蹤 B 錢包的地址，就能看到 B 的歷史交易紀錄中 A 錢包曾經打幣給 B 錢包，於是到頭來交易還是被追蹤到了。

Tornado Cash 的解決方案，簡單來說，它是一份合約，當你要匿名傳送代幣時，就把一定數量的幣丟進合約裡 (Deposit)，此時你會拿到一個 note，長得像這樣：

tornado-eth-0.1-5-0x3863c2e16abc85d72b64d78c68fca5936db2501832e26345226efdfb2bc45804977f167d86b711bb6b4095ddaa646ec93f0a93ac4884a66c1d881f4fc985

note 就是一串字串，擁有這字串的人，就能提領 (Withdraw) 剛剛傳入合約的代幣。握有 note 就代表擁有提款的權利，所以 note 一旦被別人知道，別人就可以把錢給提走。

其中，後面那段亂碼，本篇文章就以「秘密」來稱呼，這個秘密是由 secret 與 nullifier 組成，而這兩個都是在鏈下隨機產生的亂數。

因此 Tornado 的合約基本上會有兩個函式：

Deposit

Withdraw

有興趣的人可以先到 Dapp 上先玩一次看看，使用 Goerli 測試網，這裡可以領 Goerli 的代幣：https://goerli-faucet.slock.it/

Deposit

我們就從 Deposit 開始說起，簡單來說， Deposit 是將資料儲存到合約的 Merkle Tree 上。

剛剛提到的秘密，它是在鏈下產生，由 secret 跟 nullifier 組成，合在一起之後也稱作 preimage，因為我們要對這個 preimage 進行 hash，就會成為 commitment。

合約中 Deposit 如下：

deposit 除了傳送代幣到合約之外，需填入一個參數 _commitment。

我們對 preimage 使用 Pedersen 作為 hash function 加密後產生 commitment，以偽代碼表示如下：

const preimage = secret + nullifier;const commitment = pedersenHash(preimage);

這個 commitment 會成為 Merkle Tree 的葉子，所以合約中的 _insert(commitment) 來自 MerkleTreeWithHistory.sol 的合約，將我們的資料插入 Merkle Tree，然後回傳一個 index 給你，告訴你這個 commitment 在 Merkle Tree 上的位置，最後一起發布成公開的 Deposit 事件。

我們知道 MerkleTree 是將一大筆資料兩兩做雜湊後產生一個唯一值 root，這個 root 就是合約上所儲存的歷史資料。

root 的特性就是只要底下的資料一有更動，就會重新產生新的 root。

所以只要一有用戶 deposit ，就會插入新的葉子到 Merkle Tree 上，於是就會產生新的 root，所以在合約中有一個陣列是用來儲存所有的 root 的 roots：

bytes32[ROOT_HISTORY_SIZE] public roots;

roots 是用來紀錄每個 deposit 的歷史，每一次 deposit 都會創造新的 root，而所有 root 都會被儲存進 roots 裡，於是當你要提領的時候，就要證明你的 commitment 所算出的 root 曾經出現在 roots 裡，代表曾經有 deposit 的動作，因此才可以進行提領。

Withdraw

在 Deposit 之前 Tornado Cash 就會在鏈下產生秘密後交給使用者，擁有這個秘密的人等於擁有提款的權利。

提領的時候，秘密會在鏈下計算後產生 proof，proof 是 withdraw 需要的參數，所以只要確保這個 proof 能夠被驗證，那麼代幣的接收地址 (recipient) 就可以隨便我們填，只要不填上當初拿來 deposit 用的地址，基本上就做到匿名交易的效果了。

也就是說，產生這個 proof 並提交給合約，能夠證明此人知道秘密，但卻不告訴合約秘密本身是什麼。

function withdraw(bytes calldata _proof, bytes32 _root, bytes32 _nullifierHash, address payable _recipient, address payable _relayer, uint256 _fee, uint256 _refund) external payable nonReentrant;

我們可以清楚看到 withdraw 函式裡沒有接收有關秘密的任何資訊作為參數，也就是秘密不會與合約有所接觸，也不會暴露在 etherscan 上。

回顧 ZKP 所帶來的效果：

鏈下計算

隱藏秘密

在 Tornado Cash 的例子中，我們用秘密來產生證明，完成的鏈下計算包括：

將秘密 hash 成 commitment

算出 Merkle Tree 的 root。

以下是簡化後的 withdraw.circom：

template Withdraw(levels) { signal input root; signal input nullifierHash;

signal private input nullifier; signal private input secret; signal private input pathElements[levels]; signal private input pathIndices[levels];

component hasher = CommitmentHasher(); // Pedersen hasher.nullifier <== nullifier; hasher.secret <== secret; hasher.nullifierHash === nullifierHash;

component tree = MerkleTreeChecker(levels); // MiMC tree.leaf <== hasher.commitment; tree.root <== root; for (var i = 0; i < levels; i++) { tree.pathElements[i] <== pathElements[i]; tree.pathIndices[i] <== pathIndices[i]; }}

component main = Withdraw(20);

從上述代碼就可以看出這份 circuit 的 private 變數有：

secret

nullifier

pathElements

pathIndices

而 public 變數有：

root

nullifierHash

如同我們一開始說過的，秘密就是指 secret 與 nullifier。這裡進行的鏈下計算就是對 secret 與 nullifier 雜湊成 commitment。而使用的 hash function 叫做 Pedersen。

在進行 Merkle Tree 的計算之前，我們還檢查了 nullifier 雜湊後的 nullifierHash 跟 public 變數 nullifierHash 是不是一樣的。

hasher.nullifierHash === nullifierHash;

接下來，開始計算 Merkle Proof，用意是確認經過雜湊後的 commitment 有沒有出現在 Merkle Tree 上，所以我們的 private input 還有 pathElements 與 pathIndices（詳情參考 Part 1 Merkle Tree in JavaScript），讓它跑一趟 Merkle Proof 的計算，最後就能夠算出一個 root，再確認計算後的 root 與我們的 public 變數 root 是否一樣。

tree.root <== root;

於是我們就能產生一個 ZKP 的證明 — 證明 private 變數：secret, nullifier, pathElements, pathIndices 可以計算出 public 變數：root 與 nullifierHash。

把這個證明提交給合約，合約透過 Verifier 驗證 proof 是否正確，以及必須事先確認：

public 變數 root 有在合約的 roots 裡面。

public 變數 nullifierHash 在合約中是第一次出現。

以下附上完整的 withdraw 原始碼：

必須注意 ZKP 是向合約證明使用者填入的 secret 和 nullifier 可以計算出某個 root，但無法保證這個 root 曾經在合約的 roots 歷史上。

所以合約的 withdraw 中，除了 verifyProof 之外，還要事先檢查 ZKP 算出來的 root 是不是真的在歷史上發生過，所以需要 isKnownRoot 的檢查：

function isKnownRoot(bytes32 _root) public view returns(bool)

必須先檢查 isKnownRoot 後才能進行 verifyProof。

經過 verifyProof 驗證成功後，合約就開始進行提款的動作，也就會將代幣傳到 recipient 的地址，最後拋出 Withdrawal 的事件。

nullifier 與 nullifierHash

為什麼我們的秘密不是只有 secret 還要額外加一個 nullifier？

簡單來說，這是為了防止已經提領過的 note 又再提領一次，也就是所謂的 double spend。

require(!nullifierHashes[_nullifierHash], "The note has been already spent");

可以看到 withdraw 需要填入參數 nullifierHash，跟 isKnownRoot 一樣的狀況，我們需要對電路的 public 變數先經過一層檢查之後，才能帶入到 verifyProof 裡面。

nullifierHash 可以理解為這個 note 的 id，但它不會連結到 deposit，因此可以用來紀錄這個 note 是否已經被提領過。

所以當 verifyProof 驗證成功之後，我們要紀錄 nullifierHash 已完成提領：

nullifierHashes[_nullifierHash] = true;

有關為什麼需要事先檢查 public 變數後，才能帶入 verifyProof ，可以參考 Part 2：ZKP 與智能合約的開發入門 提到的 publicSignals 的部分。

附上 Tornado Cash 的架構圖：

簡化版的 tornado-core

tornado-core 的程式碼很簡潔漂亮，所以我模仿該專案自己實作一遍：

simple-tornado：https://github.com/chnejohnson/simple-tornado

這份專案只完成了 tornado-core 的核心部分，不一樣的是我的開發環境使用 hardhat 與 ethers 寫成，而 circom 與 snarkjs 使用官方當前的版本，合約用 0.7.0，測試使用 Typescript 。

比起兩年前的 tornado-core ，simple-tornado 使用的技術更新，可能更適合初學者理解這份專案，但是它有 bug…我在 issues 的地方有紀錄說明。

在開發的過程中，我的順序是先從最小單位的 MiMC hash function 開始玩，發現必須 javascript 算一次 hash、solidity 算一次、circom 再算一次，確保這三個語言對同一個值算出同樣的 hash 之後，才能放心去做更複雜的 Merkle Tree。

總結

我們可以看到 Tornado Cash 簡單的兩個函式：Deposit 與 Withdraw，透過將代幣送入合約後再提領到另一個地址的流程，應用 ZKP 達成匿名的交易。

除了斷開 Deposit 與 Withdraw 的地址關聯性之外，Tornado Cash 還有做了一層「藏樹於林」的隱私防護，這部份的解釋就請參考 ZKP 讀書會 Tornado Cash。

網路上很多關於 ZKP 的文章或專案都是在 2019 年後出產的，經過許多人對這項技術的嘗試，讓我們對 ZKP 有了更清晰的理解，如今兩年後，開發工具也變得更加成熟，期待未來在 web 隱私議題上能看到更多 ZKP 大放異彩的應用。

原始碼

tornado-core

simple-tornado

參考資料

ZKP 讀書會 Tornado Cash

Tornado Privacy Solution Cryptographic Review

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📜 [專欄新文章] EIP-1014 產生可控的智能合約地址

✍️ 飛天的狸貓

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先前在 Solidity Taiwan 讀書會 群中看到一個討論，裡面應該是一個套利機器人，打開他的合約會發現 Contract 標記著 Reinit，大致上意思是在相同地址上曾經 Self Destruct 後又佈署新的 Byte Code。這其中就用到了 Vitalik 提出的 EIP-1014，來達成在固定的地址上佈署。

合約地址是怎麼產生的

如果對於以太坊智能合約佈署不陌生，應該會知道合約地址是依據佈署者的地址和他的 Nonce 來決定的。假如地址 0xa1 在 Nonce 為 1 的交易中建立了合約，合約地址是 0x01，則當他到了其他鏈而再次使用 Nonce 1 建立合約時，就也會得到相同的合約地址 0x01。

而在以太坊中，Nonce 是嚴格遞增的，這主要是為了避免雙花攻擊，因此很顯然的，再次佈署到同一個地址是不可行的。而在 EIP-1014 以前，在合約中建立的子合約也是透過這個方式達成。

EIP-1014 做了什麼

前面說到合約中可以建立子合約，通常使用的指令是 create，這個指令便會根據主合約的地址與合約本身的 Nonce 來算出子合約的地址。在 EIP-1014 中，提出了另外一個指令 create2，接受的參數是一個 salt 和 init code（建立合約的 Byte Code）。這個指令會透過 keccak256 雜湊，混和參數和主合約的地址來算出子合約地址。

可以留意到，salt 和 init code 都是可控的，主合約地址是固定的，因此就讓子合約地址是可控制的（當然不是說想要產生在哪裡就在哪裡）。在 create 中，Nonce 是漸次增加的，所以無法重複，並且若要控制到特定 Nonce 需要發起多筆交易。

但是當再次佈署到相同地址時，EIP-684 說明若該地址 Nonce 不為零或者存在 Byte Code 時將直接拋出錯誤，因此若要佈署到同一個位置，就必須利用 Self Destruct 來抹去 Nonce 和 Byte Code。

為什麼要 EIP-1014

EIP-1014 在起初是基於 State Channel 的需求，主要是因為某些狀況下可能還沒有要和合約做互動，但需要先知道合約地址。因此只要是需要先知道地址，但沒有要立即使用的合約就十分適合通過這個指令來建立。

例如對於交易所來說，替所有要入金的人建立私鑰有管理上的問題，若透過智能合約則相對有彈性，但卻不是所有申請地址的人都真的會入金，此時就適合利用這個指令先行取得地址，當真的有入金時再佈署合約。

如何使用 EIP-1014

除了直接寫 Opcode 以外，Solidity 0.6.2 加入了利用 create2 建立合約的語法。使用方式是 new Contract{salt: someByte}(...args)，其中 new Contract(...args) 就是傳統的佈署方式，而 someByte 是一個 bytes32。

資安疑慮

回到開頭，Etherscan 之所以會標記 Reinit 則是因為可能有資安的疑慮。回顧地址產生的過程，兩個參數都沒有限制條件，因此碰撞的可能也是存在的。如果不肖人士先佈署一個正常的合約，接著通過 Self Destruct 刪除後再佈署假的合約，就可能讓沒注意到的使用者上當。

但或許因為碰撞的機會太低，所以並不太構成問題。而若真的要從使用者的角度防範，可以通過檢查合約有沒有 Self Destruct、Delegate Call、Call Code 指令（如果沒有的話無法刪除合約，再次 create2 時就會被 revert）來避免。

2021/4/23 補充

後來看了幾個討論，也想了一下，資安的疑慮應該遠不只上面這麼簡單。
例如一個宣稱鎖定 ERC-20 代幣的合約，雖然使用者可以檢閱程式碼，並確認其中解鎖 function unlock() 必須在 uint256 block 之後才能執行，並且 block 是無法變更的，但攻擊者可能透過上述方法來消除 block 狀態，進而提前執行 unlock。

參考資料

https://consensys.net/diligence/blog/2019/02/smart-contract-security-newsletter-16-create2-faq/

https://www.chainnews.com/zh-hant/articles/803272341363.htm

如有錯誤敬請指正，原文載於：https://limaois.me/archives/265

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