[논문 리뷰] EVMPatch: Timely and Automated Patching of Ethereum Smart Contracts

Michael Rodler, Wenting Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 01.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 23인용 수 26

한 줄 요약

EVMPatch는 소스 코드 변경 없이도 기존 이더리움 스마트 컨트랙트의 EVM 바이트코드를 재작성하여 업그레이드 가능하고 보안성이 확보된 버전으로 자동으로, 적시에, 안전하게 패치할 수 있는 새로운 바이트코드 수준의 프레임워크이다. 이 프레임워크는 실제 14,000개의 스마트 컨트랙트에서 정수 오버/언더플로우 및 접근 제어 결함을 성공적으로 패치하였으며, 기능적 정합성을 유지하면서 패치 시간을 97.6% 감소시켜 실질적인 생산 환경 적용 가능성을 입증하였다.

ABSTRACT

Recent attacks exploiting errors in smart contract code had devastating consequences thereby questioning the benefits of this technology. It is currently highly challenging to fix errors and deploy a patched contract in time. Instant patching is especially important since smart contracts are always online due to the distributed nature of blockchain systems. They also manage considerable amounts of assets, which are at risk and often beyond recovery after an attack. Existing solutions to upgrade smart contracts depend on manual and error-prone processes. This paper presents a framework, called EVMPatch, to instantly and automatically patch faulty smart contracts. EVMPatch features a bytecode rewriting engine for the popular Ethereum blockchain, and transparently/automatically rewrites common off-the-shelf contracts to upgradable contracts. The proof-of-concept implementation of EVMPatch automatically hardens smart contracts that are vulnerable to integer over/underflows and access control errors, but can be easily extended to cover more bug classes. Our extensive evaluation on 14,000 real-world (vulnerable) contracts demonstrate that our approach successfully blocks attack transactions launched on these contracts, while keeping the intended functionality of the contract intact. We perform a study with experienced software developers, showing that EVMPatch is practical, and reduces the time for converting a given Solidity smart contract to an upgradable contract by 97.6 %, while ensuring functional equivalence to the original contract.

연구 동기 및 목표

• 배포된 후 취약한 이더리움 스마트 컨트랙트에 대해 적시에 자동으로 패치하는 데 있어 핵심 과제를 해결하기 위해.
• 배포 후 레거시 컨트랙트를 업그레이드하는 데 수반되는 수동적이고 실수를 유발하기 쉬우며 시간이 오래 걸리는 과정을 제거하기 위해.
• 소스 코드에 종속되지 않는 바이트코드 수준의 프레임워크를 제공하여 기능적 동치성을 유지하면서도 업그레이드 가능성을 제공하기 위해.
• 항상 온라인 상태에 있으며 고가 자산을 관리하는 스마트 컨트랙트에 대한 제로데이 취약성에 신속하게 대응하기 위해.
• 기존 정적 분석 도구와 통합 가능하며 정확한 제어 흐름 그래프가 없더라도 복잡한 컨트랙트에 대해 확장 가능하도록 하기 위해.

제안 방법

• EVMPatch는 제어 흐름 그래프가 완전하거나 정확하지 않아도 되는 트램폴린 기반 바이트코드 재작성 엔진을 사용하여 EVM 바이트코드를 수정함으로써 업그레이드 가능 로직을 삽입한다.
• 기본적으로 스토리지 레이아웃 호환성을 확보하는 방식으로, 일반적으로 사용되는 스마트 컨트랙트를 자동으로 프록시 패턴을 활용한 업그레이드 가능한 버전으로 재작성한다.
• 정적 분석 도구와 통합하여 정수 오버/언더플로우 및 접근 제어 오류와 같은 취약점을 탐지한 후, 타겟된 바이트코드 패치를 적용한다.
• 패치는 EVM 바이트코드 수준에서 수행되므로, 고수준 언어(예: 솔리디티)에 관계없이 호환 가능하며 소스 코드 의존성을 피한다.
• 기존 컨트랙트의 동작 방식을 유지하면서 런타임 검사 및 업그레이드 메커니즘을 삽입함으로써 기능적 동치성을 보장한다.
• 개발자 연구를 통해 프레임워크의 실용성이 확인되었으며, 수동 방법 대비 97.6%의 패치 시간 감소를 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 배포 후 바이트코드 수준의 재작성 프레임워크가 취약한 이더리움 스마트 컨트랙트를 자동으로 안전하게 패치할 수 있는가?
• RQ2 EVMPatch는 실제 컨트랙트에 대해 업그레이드 가능성을 제공하면서도 기능적 정합성을 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ3 수동 방법 대비 EVMPatch는 스마트 컨트랙트 패치에 소요되는 시간과 노력을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 정확한 제어 흐름 그래프가 제공되지 않을 경우, 복잡한 컨트랙트 아키텍처에 대해 EVMPatch는 얼마나 내구성이 있는가?
• RQ5 EVMPatch는 기존 정적 분석 도구와 통합되어 다양한 취약성 유형을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• EVMPatch는 실제 14,000개의 취약한 이더리움 컨트랙트를 성공적으로 패치하여 테스트된 공격 트랜잭션을 모두 차단하였고, 의도한 기능은 손상되지 않았다.
• 개발자 연구를 통해, EVMPatch는 솔리디티 컨트랙트를 업그레이드 가능한 버전으로 전환하는 데 수동 패치 대비 97.6%의 시간 감소를 기록하였다.
• EVMPatch는 원본 컨트랙트와 기능적 동치성을 유지하여, 모든 테스트 조건 하에서 패치된 버전이 원본과 동일하게 동작함을 보장한다.
• 트램폴린 기반 바이트코드 재작성 전략은 정확한 제어 흐름 그래프가 필요 없어, 이전의 SMARTSHIELD와 같은 접근 방식보다 더 뛰어난 확장성과 내구성을 확보한다.
• EVMPatch는 다양한 정적 분석 도구와 통합 가능하여, 정수 오버/언더플로우 및 접근 제어 오류 외의 새로운 취약성 유형으로의 확장도 가능하다.
• 개발자 피드백을 통해 기존 개발 워크플로우에 쉽게 통합 가능하다는 점을 확인하여 실질적인 배포에 적합함을 입증하였다.