[논문 리뷰] VeriSmart: A Highly Precise Safety Verifier for Ethereum Smart Contracts

Sunbeom So, Myungho Lee외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 29.

Security and Verification in Computing참고 문헌 48인용 수 5

한 줄 요약

VeriSmart는 근본적으로 정밀도가 매우 높고, 완전히 자동화된 이더리움 스마트 계약 검증기로, 정수 오버플로우/언더플로우 및 0으로 나누기 등의 산술 안전성 버그를 거의 0에 가까운 가짜 양성 결과로 탐지한다. 이는 새로운 CEGIS 스타일 알고리즘을 통해 자동으로 트랜잭션 인variant를 발견하고 활용함으로써 달성되며, 실제 스마트 계약에서 기존 도구들보다 정밀도와 재현율 측면에서 뛰어나다.

ABSTRACT

We present VeriSmart, a highly precise verifier for ensuring arithmetic safety of Ethereum smart contracts. Writing safe smart contracts without unintended behavior is critically important because smart contracts are immutable and even a single flaw can cause huge financial damage. In particular, ensuring that arithmetic operations are safe is one of the most important and common security concerns of Ethereum smart contracts nowadays. In response, several safety analyzers have been proposed over the past few years, but state-of-the-art is still unsatisfactory; no existing tools achieve high precision and recall at the same time, inherently limited to producing annoying false alarms or missing critical bugs. By contrast, VeriSmart aims for an uncompromising analyzer that performs exhaustive verification without compromising precision or scalability, thereby greatly reducing the burden of manually checking undiscovered or incorrectly-reported issues. To achieve this goal, we present a new domain-specific algorithm for verifying smart contracts, which is able to automatically discover and leverage transaction invariants that are essential for precisely analyzing smart contracts. Evaluation with real-world smart contracts shows that VeriSmart can detect all arithmetic bugs with a negligible number of false alarms, far outperforming existing analyzers.

연구 동기 및 목표

• 스마트 계약의 불가역성과 높은 재정적 위험으로 인해, 특히 산술 안전성에 대한 정밀하고 철저한 검증의 필수적인 필요성을 해결하기 위해.
• 기존 도구들이 산술 취약성을 탐지할 때 높은 가짜 양성 또는 가짜 음성 비율을 겪는 한계를 극복하기 위해.
• 수동 주석 또는 불완전한 분석에 의존하지 않는 자동화, 확장성 있고 정밀한 검증 접근법을 개발하기 위해.
• 분석 중 도메인 특화 인variant를 자동으로 발견함으로써 스마트 계약의 완전한 자동화, 철저하고 정밀한 검증을 가능하게 하기 위해.
• 자동 인variant 발견이 실제 스마트 계약 분석에서 검증의 정밀도와 재현율을 크게 향상시킨다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 핵심 방법은 검증 과정 중에 후보 트랜잭션 인variant를 반복적으로 생성하고 검증하는 CEGIS 스타일(역행 유도 기반 유도 합성) 알고리즘이다.
• 이 알고리즘은 스마트 계약의 제어 및 데이터 플로우를 분석함으로써 임의의 트랜잭션 인터리빙 동안 항상 성립하는 트랜잭션 인variant를 발견한다.
• 기호 실행과 SMT 해결을 사용하여 후보 인variant를 검증하고, 반례 피드백을 통해 이를 개선한다.
• 이 접근법은 이더리움 스마트 계약에 특화되어 있으며, 오버플로우/언더플로우 및 0으로 나누기 포함한 산술 안전성에 집중한다.
• 검증 과정은 철저하고 타당하여 어떤 취약성도 놓치지 않으며, 발견된 인variant를 활용함으로써 정밀도를 유지한다.
• 이 방법은 산술 안전성 이외의 영역으로도 일반화 가능하며, 스마트 계약의 다른 안전성 성질에 적용 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 자동화된 검증 도구가 이더리움 스마트 계약의 산술 안전성 버그 탐지에서 높은 정밀도와 높은 재현율을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 트랜잭션 인variant의 자동 발견이 스마트 계약 검증의 정밀도 향상에 얼마나 효과적인가?
• RQ3 CEGIS 스타일 알고리즘이 스마트 계약 도메인에 효과적으로 적응되어 가짜 양성 결과를 줄이면서도 철저성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 VeriSmart의 성능은 기존 최첨단 도구들과 비교해 취약성 탐지 능력과 가짜 양성 비율 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 일반적인 추상 도메인(예: 간격 또는 올터건)과는 달리, 트랜잭션 인variant는 정밀한 산술 안전성 검증을 위해 필요한 의미론적 제약을 얼마나 잘 포괄하는가?

주요 결과

• VeriSmart는 60개의 실제 스마트 계약에서 알려진 487개의 산술 취약성(예: 오버플로우/언더플로우)을 모두 탐지했으며, 가짜 양성 비율은 단 0.41%에 불과했다.
• 비교 분석 결과, 기존 버그 탐지 도구인 Osiris, Oyente, Mythril, MantiCore는 알려진 취약성의 29.3% 이상을 놓쳤고, 가짜 양성 비율도 5.4% 이상으로 높았다.
• VeriSmart는 Zeus와 SMTChecker와 같은 최첨단 검증기들보다 뚜렷이 낮은 가짜 양성 비율을 기록했으며, 이는 트랜잭션 인variant를 자동으로 발견하고 활용할 수 있었기 때문이다.
• 이 도구는 거의 완벽한 재현율(100%)과 거의 0에 가까운 가짜 양성 결과를 달성하여, 인variant 발견 메커니즘이 효과적이라는 것을 입증했다.
• CEGIS 스타일 알고리즘이 기존 추상 도메인(예: 간격, 올터건)이 포괄하지 못하는 도메인 특화의 의미 있는 인variant를 성공적으로 유도했다.
• 평가 결과 자동 인variant 발견이 스마트 계약 검증에서 정밀도와 철저성의 동시에 달성하기 위해 필수적이라는 것이 확인되었다.