原文标题：When GPT Meets Program Analysis: Towards Intelligent Detection of Smart Contract Logic Vulnerabilities in GPTScan

原文作者：Yuqiang Sun, Daoyuan Wu, Yue Xue, Han Liu, Haijun Wang, Zhengzi Xu, Xiaofei Xie, Yang Liu

发表状态：preprint

原文链接：https://arxiv.org/abs/2308.03314

主题类型：Sec-LLMs

笔记作者：IzaiahSun

主编：黄诚@安全学术圈

研究背景

智能合约的漏洞类型与传统软件不同，并不存在内存安全或者任意代码执行等问题。而根据已有研究，智能合约中约80%的漏洞是无法使用机器检测的（Machine Undetectable Bugs）。这些漏洞大多与业务逻辑相关，而传统的分析方法并不考虑业务逻辑，因此无法检测出这些漏洞。

漏洞案例

在上述案例中，实现了一个存款(deposit)的操作。当流动性池的余额为0时，share会被设置成存款总数。因此，第一个存款人可以存入很少的钱并占据所有的share，之后转入一大笔使share价格通胀，从而获取不正当利益。对于静态分析的检测方法来说，难点在于如何判断业务场景并识别出关键变量。

研究方法

这篇文章的方法分为三个步骤：

  1. 基于静态分析的函数筛选。

  2. 基于GPT模型的场景分析与关键信息提取。

  3. 基于静态分析的漏洞确认。

函数筛选

首先，作者使用了静态分析的方法，要求所有被分析的函数都是用户可达的，即存在一条调用路径，并且没有onlyOwner等权限修饰符。其次，作者使用了若干个基于文本和调用图的过滤规则，用于筛选每一条规则对应的潜在漏洞函数。对于每个漏洞函数，作者根据调用链关系，对其和其上下文函数进行组合，以确保语义完整性。经过了过滤和组合之后，一定程度上降低了候选项范围，并保证了一定的语义完整性。

场景分析与关键信息提取

作者使用了GPT-3.5-turbo模型，对于每个候选项，包括了两条自然语言描述，分别为scenario和property。针对每一个候选函数，模型会依次确认scenario和property是否匹配，如果匹配则认为该函数有较大概率存在漏洞，并进入到下一步。当认为函数有较大概率存在漏洞时，模型会进一步提取关键信息，包括vulnerable variable和vulnerable statement。这两项信息会交给最后一步，漏洞确认，用于确认漏洞是否存在。

漏洞确认

漏洞确认采用了静态分析的方法，一共有四个内置分析器。包括了静态数据流追踪，变量比较检查，执行顺序检查和函数调用参数检查。这些分析器可以有效去除误报，以提升准确率和精确度。

规则汇总

作者一共总结了10条规则，共对应了9个漏洞类型，包括授权未被清除、不安全的第一个存款人（案例中展示的漏洞）、基于AMM的价格操纵、基于购买或交换代币的价格操纵、投票操纵、抢跑、错误执行顺序、滑点和未经授权的转账。每一条规则包含四个部分，即两条自然语言描述，一些静态过滤器和一条静态确认器。

实验

数据集

该论文共使用了三个数据集，分别是：

  1. Top200，选择了市场份额前200的合约，这些合约被认为是安全的、经过市场检验的。

  2. Web3Bugs，来源于https://github.com/ZhangZhuoSJTU/Web3Bugs/，为ICSE2023的论文的公开数据集，包括72个可编译的项目。

  3. DefiHacks，共13个真实发生的攻击案例。

RQ1：误报问题

作者在三个数据集上进行了实验，结果如上图所示。在Top200上，误报率为4.39%；在Web3Bugs上，精确度为57.14%；在DefiHacks上，精确度为90.91%。

RQ2: 检出率问题

作者在两个有漏洞的数据集上进行了实验：在Web3Bugs上，召回率为83.33%；在DefiHacks上，召回率为71.43%。作者在文中分析了所有漏报案例及其原因。

RQ3：静态漏洞确认有效性问题

作者进行了一个消融实验（ablation study），对比了静态漏洞确认的重要性。实验发现，静态漏洞确认可以有效地去除误报，提升精确度。但同时，对于召回率影响非常有限。

RQ4：时间和经济开销

作者使用了GPT-3.5-turbo模型，在三个数据集共472K行代码上进行了实验。总耗时约6793秒，平均每千行代码耗时14.4秒；总共花费约5美元，平均每千行代码花费10.6美分（0.0010589美元）。相比于人工审计来说，AI辅助的漏洞检测可以大大降低成本。

RQ5：新发现的漏洞

作者在Web3Bugs数据集上发现了9个新的漏洞，其中5个是不安全的第一个存款人，3个是基于AMM的价格操纵，1个是抢跑。

讨论

  1. 可拓展性。若要拓展GPTScan，开发者仅需要完成两条自然语言描述，并使用现有静态分析过滤器和规则的组合即可，无需重新训练模型，难度较低。

  2. 局限性。目前过滤器部分，针对修饰符仅使用黑名单，不够准确，可以引入语义分析。

  3. 其它模型的适用性。目前仅使用了GPT-3.5-turbo模型，其它模型，如Google Bard，LLaMa等是否适用，需要进一步研究。

贡献总结

  1. 将项目进行切片以适应大语言模型的输入长度限制，降低尝试次数并保留一定的语义完整性。

  2. 使用自然语言描述漏洞来检测漏洞，而不需要重新训练模型。

  3. 结合静态分析和大语言模型，提升了漏洞检测的准确率和精确度。

论文文献

@misc{sun2023gpt,
title={When GPT Meets Program Analysis: Towards Intelligent Detection of Smart Contract Logic Vulnerabilities in GPTScan},
author={Yuqiang Sun and Daoyuan Wu and Yue Xue and Han Liu and Haijun Wang and Zhengzi Xu and Xiaofei Xie and Yang Liu},
year={2023},
eprint={2308.03314},
archivePrefix={arXiv},
primaryClass={cs.CR}
}

作者

  • Yuqiang Sun, 南洋理工大学博士生，研究兴趣漏洞检测，静态分析，软件工程。https://aboutme.izaiahsun.com。

  • Daoyuan Wu, 南洋理工大学高技研究员。

  • Yue Xue, MetaTrust 安全研究员。

  • Han Liu, 华东师范大学博士生。

  • Haijun Wang, 西安交通大学教授。

  • Zhengzi Xu, 南洋理工大学研究员。

  • Xiaofei Xie, 新加坡管理大学助理教授。

  • Yang Liu, 南洋理工大学教授。

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