SC Integer Overflow and Underflow

整數溢位（Overflow）與下溢（Underflow）是智能合約中的一種安全漏洞，源於以太坊虛擬機（EVM）中整數資料型別的固定大小限制。EVM 使用固定長度的整數型別，例如：

uint8（無符號 8 位整數）：只能表示 0 到 255 的數字。
int8（有符號 8 位整數）：可表示 -128 到 127 的數字。

當算術運算結果超出型別的範圍時，會發生溢位或下溢：

溢位（Overflow）：試圖將值設為超出型別最大範圍。例如，將 uint8 的值 255 加 1，結果不是 256，而是「回繞」到 0。
下溢（Underflow）：試圖將值減到小於型別最小範圍。例如，將 uint8 的值 0 減 1，結果不是 -1，而是「回繞」到 255。
有符號整數：對於 int8，如果從 -128 減 1，結果會回繞到 127。

這種行為類似於汽車里程表（達到 999999 後重置為 000000）或週期性數學函數（如正弦函數）。

重要注意事項：

在 Solidity 0.8.0 及以上版本，編譯器內建了溢位和下溢檢查，當發生溢位或下溢時，交易會自動回滾。
Solidity 0.8.0 引入了 unchecked 關鍵字，允許開發者在特定情況下禁用這些檢查以節省 gas（例如，當確定不會發生溢位時）。這會讓算術運行為回歸到舊版本的行為。

範例（存在漏洞的合約）

以下是一個易受整數溢位和下溢攻擊的合約範例：

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.4.17;

contract Solidity_OverflowUnderflow {
    uint8 public balance;

    constructor() public {
        balance = 255; // Maximum value of uint8
    }

    // Increments the balance by a given value
    function increment(uint8 value) public {
        balance += value; // Vulnerable to overflow
    }

    // Decrements the balance by a given value
    function decrement(uint8 value) public {
        balance -= value; // Vulnerable to underflow
    }
}

漏洞分析：

溢位漏洞：假設 balance = 255，調用 increment(1) 會導致 255 + 1 = 0（溢位），因為 uint8 最大值為 255，超過後回繞到 0。
下溢漏洞：假設 balance = 0，調用 decrement(1) 會導致 0 - 1 = 255（下溢）。
攻擊情境：
攻擊者可調用 increment(1) 將 balance 從 255 變為 0，造成餘額錯誤重置。
攻擊者可調用 decrement(1) 從 0 變為 255，製造大量虛假餘額，進而提領不屬於自己的資金。

影響

整數溢位和下溢可能導致以下嚴重後果：

資金損失：攻擊者可通過溢位或下溢操縱餘額，提取超出其合法擁有的資金。
邏輯破壞：錯誤的數值可能改變合約的預期行為，例如允許未授權的操作或生成過量代幣。
協議破壞：這些漏洞可能導致協議功能失常，影響用戶信任和生態系統穩定。

修復方法

為防止整數溢位和下溢，開發者應採取以下措施：

使用 Solidity 0.8.0 或更高版本：

從 Solidity 0.8.0 開始，編譯器自動檢查溢位和下溢，交易會在發生異常時回滾。
這是最簡單的修復方法，無需額外程式碼。

使用安全數學庫：

對於低於 0.8.0 的版本，可使用 OpenZeppelin 的 SafeMath 庫，該庫提供安全的算術運算函數（如 add()、sub()），在溢位或下溢時自動回滾。

手動檢查：

在關鍵運算前手動檢查輸入值，確保結果不會超出範圍。

修復後的範例合約

以下是修復後的合約，使用 Solidity 0.8.0 的內建溢位檢查，並加入額外防護：

// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

contract Solidity_OverflowUnderflow {
    uint8 public balance;

    constructor() {
        balance = 255; // Maximum value of uint8
    }

    // Increments the balance by a given value
    function increment(uint8 value) public {
        balance += value; // Solidity 0.8.x automatically checks for overflow
    }

    // Decrements the balance by a given value
    function decrement(uint8 value) public {
        require(balance >= value, "Underflow detected");  
        balance -= value;
    }
}

修復內容：

Solidity 0.8.0 溢位檢查：

在 increment 中，balance += value 若導致溢位（例如，255 + 1），編譯器會自動回滾交易。

手動下溢檢查：

在 decrement 中，新增 require(balance >= value)，確保不會發生下溢。

總結

整數溢位和下溢是智能合約中的危險漏洞，可能導致餘額操縱、未授權操作和資金損失。這些問題源於 EVM 整數型別的固定範圍限制，導致數值回繞行為。Solidity 0.8.0 及以上版本的內建溢位檢查是最簡單的解決方案，結合 OpenZeppelin 的 SafeMath 庫或手動檢查可進一步增強安全性。修復後的合約展示了如何利用現代 Solidity 功能和額外檢查來防止這些漏洞，確保合約的可靠性和安全性。開發者在設計合約時應始終使用最新版本並進行全面測試。

範例（存在漏洞的合約）

影響

修復方法

修復後的範例合約

總結

分享此文：