Enforcing Control Flow Integrity on DeFi Smart Contracts

1. 문제 정의 (Problem)

탈중앙화 금융 (DeFi) 은 스마트 계약을 기반으로 하지만, 공격자들은 복잡한 DeFi 프로토콜의 구성 가능성 (Composability) 을 악용하여 막대한 금전적 손실을 초래하는 공격을 수행합니다.

• 기존 보안의 한계: 기존 보안 도구들은 주로 정적 분석이나 과거 트랜잭션 데이터를 기반으로 학습된 불변성 (Invariants) 을 사용합니다. 그러나 DeFi 는 외부 계약과의 상호작용이 복잡하고 공격 기법이 진화함에 따라, 사전에 정의된 규칙이나 학습된 패턴만으로는 새로운 형태의 공격을 탐지하기 어렵습니다.
• 핵심 통찰: 저자들은 37 개의 해킹당한 DeFi 프로토콜에 대한 대규모 실증 연구를 통해, 정상적인 거래는 제한된 수의 고유한 제어 흐름 (Control Flow) 을 보이는 반면, 공격 거래는 이전에 관찰되지 않은 새로운 제어 흐름을 지속적으로 도입한다는 사실을 발견했습니다. 특히, 여러 함수를 오가는 비정상적인 재진입 (Re-entrancy) 이나 복잡한 호출 순서가 공격의 핵심 패턴임을 확인했습니다.

2. 방법론 (Methodology): CrossGuard

이러한 통찰을 바탕으로 저자들은 CrossGuard라는 새로운 온체인 (On-chain) 프레임워크를 제안했습니다. CrossGuard 는 특정 해킹 기법을 사전에 알 필요 없이, 배포 시 한 번만 설정하면 실시간으로 제어 흐름 무결성을 강제합니다.

핵심 구성 요소 및 작동 원리

1. 계측 (Instrumentation):
   • 보호 대상 스마트 계약의 각 함수에 두 가지 변형 (_Untrusted, _Trusted) 을 추가합니다.
   • Untrusted: 외부 (신뢰할 수 없는) 호출자가 접근할 때만 실행되며, 가드 계약 (Guard Contract) 에 함수 진입/종료를 알리고 런타임 속성을 보고합니다.
   • Trusted: 보호된 계약 내부 간의 호출 시에만 실행되며, 가드 계약의 오버헤드를 우회하여 가스 비용을 절감합니다.
2. 가드 계약 (Guard Contract):
   • 계측된 계약들로부터 제어 흐름 데이터와 런타임 속성을 수집합니다.
   • 제어 흐름 화이트리스트 정책 (Whitelisting Policies): 4 가지 정책을 통해 정상적인 흐름만 허용합니다.
     • Policy 1: 단순하고 독립적인 호출 (EOA 직접 호출 등).
     • Policy 2: 읽기 전용 (Read-Only) 호출 (상태 변경 없음).
     • Policy 3: 런타임 읽기 전용 (SSTORE 없음, Ether 전송 없음).
     • Policy 4: 종료 시 복원 (Restore-on-Exit) 저장소 쓰기 (임시 변경 후 원상복구).
   • 단순화 휴리스틱 (Simplification Heuristics): 오탐 (False Positive) 을 줄이기 위해 특정 호출을 무시합니다.
     • Heuristic 1: 표준 ERC20 함수 호출 (보안 테스트가 완료된 것으로 간주).
     • Heuristic 2: Read-After-Write (RAW) 의존성 분석 (이전 호출의 쓰기 결과를 읽는 경우에만 흐름을 추적).
3. 실시간 검증 및 차단:
   • 트랜잭션 실행 중 제어 흐름이 정의된 화이트리스트 규칙을 위반하거나, 재진입 패턴이 감지되면 트랜잭션을 즉시 되돌림 (Revert) 하여 공격을 차단합니다.

3. 주요 기여 (Key Contributions)

• 실증 연구 (Empirical Study): 해킹당한 37 개 DeFi 프로토콜의 거래 내역을 분석하여, 공격 거래가 고유한 제어 흐름을 가진다는 것을 최초로 체계적으로 입증했습니다.
• CrossGuard 기술 제안: 학습 데이터 (Training Data) 없이도 배포 즉시 작동하는 최초의 제어 흐름 무결성 (CFI) 프레임워크를 제안했습니다. 이는 정적 분석과 동적 분석을 결합하여 정책과 휴리스틱을 구현합니다.
• 오픈 소스 및 평가 도구: 연구 결과, 실험 데이터 및 CrossGuard 도구를 공개하여 커뮤니티의 지속적인 연구와 검증을 지원합니다.

4. 실험 결과 (Results)

37 개의 해킹된 프로토콜과 AAVE, Lido, Uniswap 과 같은 주요 DeFi 프로토콜을 대상으로 평가했습니다.

• 공격 차단율: 설정을 배포 시 한 번만 수행했을 때, 분석된 37 개 공격 중 35 개를 성공적으로 차단했습니다. (차단 실패 2 건은 단일 함수 호출로 이루어진 접근 제어 우회 또는 입력 검증 누락 공격으로, 제어 흐름 복잡성이 낮아 본 도구의 범위를 벗어났습니다.)
• 오탐률 (False Positive Rate): 평균 **0.26%**의 매우 낮은 오탐률을 기록했습니다. 이는 과거 거래 데이터를 학습하는 최신 도구 (Trace2Inv) 보다 우수한 성능입니다.
• 가스 오버헤드 (Gas Overhead): 최적화 기법 (EOA 호출 우회, 저장소 복원 정적 감지 등) 을 적용한 결과, 평균 **3.53%**의 가스 비용 증가만 발생했습니다. 이는 산업 표준 솔루션 (SphereX 등) 보다 효율적입니다.
• 우회 가능성 (Bypassability): 35 개 차단된 공격 중 31 개는 공격자가 트랜잭션을 단순화하거나 분할하더라도 우회할 수 없는 구조로 설계되었습니다.

5. 의의 및 중요성 (Significance)

• 선제적 보안 (Proactive Security): 과거 데이터를 학습할 필요가 없어, 새로 배포되는 스마트 계약에도 즉시 적용 가능합니다.
• 유연성과 적응성: 관리자 피드백 메커니즘을 통해 새로운 합법적인 제어 흐름을 화이트리스트에 추가할 수 있어, 프로토콜의 진화와 함께 보안이 발전합니다.
• DeFi 생태계 보호: DeFi 의 핵심인 '레고 (Composability)' 특성을 유지하면서도, 이를 악용한 복잡한 공격을 실시간으로 차단하여 DeFi 생태계의 신뢰성을 높이는 실용적인 솔루션을 제시합니다.

이 논문은 스마트 계약 보안을 위해 '제어 흐름 무결성' 개념을 온체인 환경에 성공적으로 적용하고, 낮은 오버헤드로 높은 보안성을 달성할 수 있음을 입증했습니다.