躲避子彈：以太坊狀態問題_ETH

這篇文章的目的是正式公開一個對以太坊平臺的嚴重威脅，其危險性清晰而明確，直到 “柏林” 硬分叉才解除。

我們先來了解一些以太坊和 “狀態” 的背景知識。

以太坊狀態是一棵 帕特里夏-默克爾樹（particia-merkle trie，一種兼有前綴樹規則的默克爾樹）。本文不會深入過多細節，你只要知道，隨著狀態數量的增長，這個樹結構的分支會變得越來越密。以太坊區塊鏈上每多一個賬戶，這棵樹就多一個葉子節點。在樹的根節點與葉子節點，是許多所謂的 “中間” 節點。

為了查找某個賬戶，或者說在這棵龐大的樹上找到某片 “葉子”，需要解析 6 ~ 9 個哈希值，從根節點開始，經由中間節點，最終解析到一個能夠給予我們所需數據的哈希值。

用大白話來說：無論什么時候要在這棵樹上查找某個賬戶，都要經過 8 ~ 9 次解析操作。每次解析操作都是一次數據庫查詢，而每一次數據庫查詢都意味著不確定數量的多次硬盤操作。硬盤操作的次數很難估計，但是因為狀態樹的 “鍵（key）” 是密碼學哈希值（抗碰撞的），所以這些鍵都是隨機的，這對所有數據庫來說都屬于最壞的情況。

隨著以太坊狀態的增加，就有必要提高訪問狀態樹的操作的 Gas 消耗量。早在 2016 年 10 月，我們就曾用 “橘子口哨（Tangerine Whistle）” 分叉（納入 EIP 150，在區塊高度?246 3000?激活）做過這樣的事。EIP 150 大幅提高了特定操作的 Gas 消耗量，并引入了一系列的措施來保護網絡免于 DoS 攻擊；這是在所謂的 “上海攻擊” 之后推出的。

基于LayerZero的全鏈NFT平臺Omni X上線主網Alpha版本:7月18日消息，基于LayerZero的全鏈NFT平臺Omni X上線主網Alpha版本，并推出由LayerZero提供支持的免費限量版NFT。[2023/7/18 11:01:31]

另一次這樣的 Gas 消耗量提升是在 “伊斯坦布爾” 分叉的時候，在區塊高度?906 9000?（2019 年 12 月）激活，引入了 EIP 1884。1884 的內容包括：

SLOAD?操作碼的 Gas 消耗量從?200?提高到?800?gas

BALANCE?消耗量從?400?提高到?700?gas （還加入了一個更便宜的?SELFBALANCE?操作碼）

EXTCODEHASH?消耗量從?400?提升到?700?gas

在 2019 年 3 月，Martin Swende 測量了 EVM 操作碼的性能。這一研究后來導致了 EIP-1884 的創建。在 1884 激活的幾個月前，這篇以 “Broken Metre” 為名的論文發表（2019 年 9 月）。

兩位以太坊安全研究員 —— Hubert Ritzdorf 和 Matthias Egli —— 與這篇論文的作者之一 Daniel Perez 展開了合作，并 “武器化” 了一個漏洞，并提交給了以太坊的 bug 懸賞項目。那是在 2019 年 10 月 4 日。

MakerDAO將其儲備中的GUSD穩定幣削減3.9億美元:金色財經報道，DeFi借貸平臺MakerDAO將從其儲備中削減3.9億美元的GUSD穩定幣。社區目前正在對一項提案進行投票，將GUSD的最大數額從Maker的DAI穩定幣儲備中的5億美元減少到1.1億美元，該儲備稱為Peg Stability Module（PSM）。

在投票結束前不到24小時，大約94%已經投票的人支持削減GUSD的提議。然而，在1月份的一項類似提案中，支持保留GUSD的投票在最后涌來，使這一方以微弱的50.85%的多數獲勝。[2023/6/15 21:37:51]

我們建議你完整地閱讀他們提交的報告，寫得非常好。

在一個專門討論跨客戶端安全性的頻道里，來自 Geth 客戶端、Parity 客戶端和 Aleth 客戶端的開發者被告知了這份報告，就在同一天。

該漏洞的本質是觸發隨機的樹查找。一個非常簡單的變體是：

在他們的報告里，研究員通過?eth_call?RPC 端點對同步到主網的節點執行了這一負載，下面是它們消耗 1000 萬 gas 所需的時間。

使用?EXTCOEHASH?（名義 Gas 消耗量是 400）耗盡 1000 萬 gas

Parity：約 90 秒

近4億枚USDT從Bitfinex轉移到Tether Treasury:金色財經報道，WhaleAlert數據顯示，398,000,000 枚USDT(價值約397,729,360美元)從Bitfinex轉移到Tether Treasury。[2022/11/13 12:56:28]

Geth：約 70 秒

使用?EXTCODESIZE?（名義 Gas 消耗量是 700）消耗 1000 萬 gas

Parity：約 50 秒

Geth：約 38 秒

（譯者注：此處的意思是，如果一個 1000 萬 gas 的區塊全用這兩個操作碼填滿，則節點需要這么長時間才能處理完這個區塊）

顯而易見的是，EIP-1884 確實減少了攻擊的效果，但還是遠遠不夠的。

那時候離大阪 Devcon 已經很近了。在 Devcon 期間，關于這一問題的知識在主網的客戶端開發者之間傳開來。我們也會晤了 Hubert 和 Mathias，還有 Greg Markou（他來自 Chainsafe 團隊，一直在做 ETC 的工作）。ETC 區塊鏈的開發者們也收到了這份報告。

隨著 2019 年接近尾聲，我們發現，這問題比我們之前以為的還要棘手，惡意的事務可能導致出塊時間延長到以分鐘計。更難辦的是，開發者社區已經對 EIP-1884 感到不滿，它打破了一些合約，而且用戶和礦工都希望提高區塊的 Gas Limit。

Injective宣布已處理超9000萬次鏈上交易:官方消息，Injective宣布已處理超9000萬次鏈上交易。[2022/8/2 2:53:55]

此外，僅僅兩個月之后，到了 2019 年 12 月，Partiy Ethereum 就宣布要退出了，OpenEthereum 項目接管了 Parity 客戶端的代碼維護工作。

于是大家創建了一個新的客戶端協作頻道，Geth、Netheremind、OpenEthereum 和 Besu 的開發者繼續合作。

我們意識到，只有雙管齊下才能解決這個問題。一方面，我們要改進以太坊協議，也就是在協議層解決這個問題；最好是不要打破合約，也不要懲罰 “善意” 的行為，但又能防止攻擊。

另一方面，我們可以依靠軟件工程，改變客戶端內的數據模式和結構。

處理此類攻擊的第一個思路是這個。在 2020 年2 月，其正式版本作為 EIP 2583 發布。該提案背后的觀念是增加一個懲罰措施，每次樹查找導致 miss （“未找到”）時就觸發。

不過，Peter 找出了一個繞過它的辦法 ——“shielded relay” 攻擊 —— 使得本質上懲罰有了一個上限（約為 800）（譯者注：此處沒有單位，疑為 gas）。

懲罰 miss?方法的問題在于，必須先有查找的過程，然后才能確定要不要實施懲罰。但如果剩余的 gas 已不足于實施懲罰，則（從協議的角度看）一個沒有得到充分支付的消耗流程又已經執行了。即使這會導致拋出錯誤，這些狀態讀取也可以封裝到嵌套調用中，使得外部調用者可以重復執行攻擊而不必支付（完整的）懲罰。

馬斯克的財富縮水近620億美元:7月1日消息，2022年上半年財富排名全球前500位的富豪總計損失了1.4萬億美元，跌幅駭人，億萬富豪階級六個月財富縮水的規模創出了有史以來最大。其中，伊隆·馬斯克的財富縮水近620億美元，杰夫·貝索斯縮水約630億，馬克·扎克伯格的凈資產則減少了一半以上。（財聯社）[2022/7/1 1:45:08]

因此，這個 EIP 也被拋棄了，我們要尋找更好的替代方案。

Alexey Akhunov 研究了 Oil 的概念 —— 一種次級的 “Gas”，但與 Gas 完全不同的是，它對執行層是不可見的，而且可能導致事務全局回滾（transaction-global revert）。

Martin 提了一個類似的提案，稱為 “Karma”，在 2020 年5 月。

雖然這許多方案都有進展，Vitalik Buterin 提議僅僅提高 Gas 消耗量，并維護一個 “訪問清單”。在 2020 年 8 月，Martin 和 Vitalik 開始迭代后來成為 EIP-2929 及其同伴 EIP-2930?的想法。

EIP-2929 在根本上解決了許多上面提到的問題。

與 EIP-1884 相反；1884 是無條件提高 Gas 消耗量，但 2929 僅提高訪問新對象的 Gas 消耗量。這使得凈成本僅增加了不到一個百分點。

同樣地，與 EIP-2930 配合后，就不會打破任何合約。

它還可以通過提高 Gas 消耗量來進一步調整（也不會打破合約）

在 2021 年 4 月 14 日，這兩個 EIP 都在 “柏林” 分叉時激活。

Peter 嘗試用動態的狀態快照解決這個問題，時值 2019 年 10 月。

快照是一個次級的數據結構，用來以扁平格式（flat format）存儲以太坊狀態。快照可在 Geth 節點正常運行期間創建，無需下線專門執行。快照的好處是，它可以作為狀態訪問的一種加速結構：

不再是執行?O(log N)?次硬盤讀取（還要乘以 LevelDB 的開銷）來訪問一個賬戶/存儲項，快照可以提供直接的，O(1)?級別的訪問時間（再乘以 LevelDB 的開銷）。

快照還支持以每個條目?O(1)?的復雜度迭代賬戶和存儲項，這使得遠程節點可以檢索連續的狀態數據，比以往便宜非常多。

快照的存在還支持其它更奇怪的用途，比如離線修剪狀態樹，以及遷移到另一種數據格式。

弊端是，快照等于是完全復制了賬戶和存儲項的未經處理（raw）的數據。若在主網環境中使用，這意味著需要額外 25 GB 的固態硬盤空間。

動態快照的想法從 2019 年中就有了，當時的主要目標是啟用 “快照同步”。那時候 Geth 團隊還在開發許多 “大項目”：

離線的狀態修剪

同態快照 + 快照同步

通過共享狀態實現 LES 狀態分散

不過，后來他們決定一心一意做快照功能，推遲了其他項目。這些工作為后來的?snap/1?同步算法打下了基礎。這一算法已在 2020 年 3 月合并到了代碼庫中。

有了 “動態快照” 功能，我們就能喘口氣了。如果以太坊網絡遭到攻擊，那會是很痛苦的，但至少，我們能通知用戶打開快照功能。生成快照需要花一些時間，而且還沒有辦法同步快照，但網絡至少能繼續運行了。

在 2021 年 3 月/4 月，?snap/1?協議已經在 geth 客戶端推出，節點能夠使用新的、基于快照的算法來同步區塊鏈了。雖然還不是默認的同步模式，這是使快照能不僅作為攻擊保護措施，也能顯著提高用戶體驗的一部。

在協議層，“柏林” 升級已于 2021 年 4 月激活。

在我們的 AWS 監控環境中，我們的基準測試結果如下：

“柏林” 前，沒有快照，處理 2500 萬 gas：14.3 秒

“柏林” 前，有快照，處理 2500 萬 gas：1.5 秒

“柏林” 后，沒有快照，處理 2500 萬 gas：約 3.1 秒

“柏林” 后，有快照，處理 2500 萬 gas：約 0.3 秒

這個（粗糙）的數字表明，“柏林” 升級使攻擊的效率降低了 5 倍，而快照使之降低了 10 倍，最終使其影響降低了 50 倍。

我們估計，在當前的主網上（區塊為 1500 萬 gas），不使用?快照的 geth 節點可能可以做到只需 2.5 ~ 3 秒就能執行一個區塊。隨著狀態的增長，這個數字會繼續惡化（對于不使用快照的節點來說是如此）。

如果 gas 返還機制被用來造成單個區塊的實際 gas 使用量提升，這個惡化的倍數（最大）是 2 倍。在 EIP-1559 實施后，區塊的 Gas Limit 會有更高的彈性，在短時間內可爆發出最大 2 倍的惡化乘數。

至于實施這種攻擊的可行性，攻擊者買斷一個區塊的成本大概在幾個 ETH 這樣的級別（1500 萬 gas，100 Gwei 的價格，乘出來就是 1.5 ETH）。

這一威脅在很長時間里都是 “公開的秘密” —— 因為疏忽，它至少被公開披露過一次；而且在核心開發者會議中也多次提到它，雖然沒有公開細節。

因為我們已經激活了 “柏林” 升級，也因為 geth 客戶端已經默認使用快照功能，我們認為，威脅已經足夠低，而透明化才是更重要的了。所以是時候把幕后的工作都公開了。

重要的是，社區得到了一次理解和思考這些影響用戶體驗（這些 EIP 會提高 Gas 消耗量，也會限制返還機制的效果）的變更的機會。

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