拆解以太坊狀態（State）問題：一個鮮為人知的嚴重威脅_以太坊

以太坊基金會今日發文披露了一個2019年首次發現的安全漏洞，在上個月的柏林升級之前，該漏洞的嚴重程度為發生攻擊時可能使主網癱瘓。該漏洞的本質是觸發隨機Trie查詢，以太坊開發人員曾試圖用EIP-1884、EIP-2583、EIP-2929、以及快照功能來抵御該漏洞，最終在柏林升級之后該漏洞危險性降低。

通過此博客文章，目的是正式披露以太坊平臺所面臨的一個嚴重威脅。在以太坊柏林硬分叉之前，這個威脅是切實存在的。

狀態

讓我們從以太坊和狀態的背景知識開始。

以太坊狀態由一種patricia-merkletrie組成。這篇文章將不做過多的詳細介紹，隨著狀態的增長，這個樹上的樹枝變得越來越密。添加的每個帳戶都是一片葉子。在樹的根和葉本身之間，有許多“中間”節點。

為了在這棵巨大的樹中查找給定的帳戶或“葉子”，需要從根到中間節點來解析大約6-9個哈希的某個位置，以最終解析最后一個哈希hash，該哈希會指向我們正在尋找的數據。

簡而言之：每執行一次Trie查找來查找帳戶，就會執行8-9個解析操作。每個解析操作都是一次數據庫查找，并且每詞數據庫查找可以是任意數量的真實磁盤操作。磁盤操作的次數很難估計，但是由于trie密鑰是加密哈希，因此密鑰是“隨機的”，這對任何數據庫來說都是最糟糕的情況。

以太坊質押協議Swell Network推出質押與流動性激勵計劃Voyage:5月26日消息，據官方消息，以太坊質押協議 Swell Network 發布Voyage激勵計劃。用戶可以通過持有流動性質押 Token Swell ETH（swETH）和在 Balancer、Aura、Uniswap v3、Maverick 和 Bunni 中提供 swETH 流動性來收集珍珠（pearls）。

通過收集珍珠，用戶可以在未來獲得 Swell DAO 的治理權。Swell 官方 Discord 相關角色持有者和 Gitcoin 捐贈者將在 Voyage 結束時收到對應珍珠。珍珠數量將在 UTC 時間每周三 02:00 在 Voyage 儀表板上更新。[2023/5/26 9:44:43]

隨著以太坊的增長，有必要提高訪問trie的操作的gas價格。這是在2016年10月區塊高度2,463,000的TangerineWhistle中執行的，其中包括EIP150。EIP150在所謂的“上海攻擊”之后大幅提高了某些操作的gas成本，并進行了一系列更改以防止DoS攻擊。

另一項gas提升同樣在伊斯坦布爾升級中被執行，即2019年12月區塊高度9,069,000。在這次升級中，EIP1884被激活。

EIP1884引入了以下操作成本更改：

Circle產品副總裁：在加密貨幣這塊，創新太容易了:金色財經報道，在今日舉行的Web3香港嘉年華峰會上，Circle 產品副總裁 Joao Reginatto 表示，其實現在監管環境要看你在哪個司法轄區，每個司法轄區不一樣。現在美國的監管也是讓人非常看不懂，不清楚，我認為有三個理由：第一，我們都是人，人的天性對于時間的理解很容易有偏差，我們可能會看到當下，不會看到未來。監管機構做的工作非常難，一方面私營企業界、產業界總是跑在監管的前面，金融服務的創新總是導致一些之前沒有想到的、監管覆蓋到的領域，監管方不得不追趕上這個速度，讓它更復雜的是數字貨幣，這種技術又加劇了私營部門跑得更快的情況。在加密貨幣這塊，創新太容易了，如果我們看最近的五年或者十年，有很多創造。

金融服務是以前花了10年、20年才創新出來的，現在有了加密貨幣、區塊鏈之后，幾個月的時間里或者短短幾年時間里就完成了過去幾十年才能夠完成的創新。所以我們看到很多金融工具、很多金融服務非常快地被創造出來。[2023/4/12 13:59:46]

SLOAD從200提升到800gas，

BALANCE從400提升到700gas，

EXTCODEHASH從400提升到700gas。

問題

2019年3月，MartinSwende對EVM操作碼性能進行了一些測量。這次調查之后促成創建了EIP-1884。在EIP-1884上線之前的幾個月，《BrokenMeter》論文正式發表。

Coinbase將從3月29日起暫停Algorand質押獎勵:3月23日消息，加密交易所Coinbase (COIN)宣布，從3月29日起，將不再提供Algorand代幣（ALGO）質押獎勵。該代幣仍可用于交易。Coinbase發言人沒有給出終止Algorand獎勵的原因，但在一封電子郵件中表示，“截至3月31日的Algorand治理期的所有獎勵將在4月初支付”。Coinbase發言人稱：“Coinbase與資產發行人合作提供獎勵，并不斷重新評估我們的產品以確保最佳的客戶體驗。我們決定此時停止Algorand (ALGO)獎勵”。（CoinDesk）[2023/3/23 13:21:00]

兩位以太坊安全研究人員與該論文的一位作者DanielPerez合作“武器化”了一個漏洞，他們將漏洞提交給了以太坊賞金計劃。這是在2019年10月4日。

我們建議您完整閱讀那次提交的內容，這是一份精心撰寫的報告。

在專門用于討論跨客戶端安全性的頻道上，當天，來自Geth，Parity和Aleth的開發人員被告知了有關提交的信息。

該漏洞的本質是觸發隨機trie查詢。一個非常簡單的變體是：

Deribit上的BTC永續期貨合約未平倉合約創兩年新低:金色財經報道，據Glassnodes數據顯示，Deribit上的BTC永續期貨合約未平倉合約剛剛達到287,853,100 美元，創近兩年來新低。[2023/1/7 10:59:56]

在他們的報告中，研究人員通過eth_call對同步到主網的節點執行了此有效負載，這些是在使用10Mgas時執行的數量：

使用EXTCODEHASH?發動10Mgas攻擊

Parity:?~90s

Geth:?~70s

使用EXTCODESIZE?發動10Mgas攻擊

Parity:?~50s

Geth:?~38s

顯而易見，EIP1884引入的更改確實在降低攻擊方面產生了影響，但遠遠不夠。

在大阪Devcon大會之前確實如此。在Devcon期間，主網客戶端開發人員之間共享了該問題的知識。我們還與Hubert和Mathias以及GregMarkou進行了會面。ETC開發人員也收到了這份報告。

隨著2019年臨近尾聲，我們知道我們遇到的問題比我們之前預期的要大，惡意交易可能導致區塊時間間隔增加到分鐘級。更糟的是，開發人員已經對EIP-1884感到不滿意，因為EIP-1884中斷了某些合約程序，而用戶和礦工們都為提高gas限制而著急。

數字藏品公司Forum3完成1000萬美元的種子輪融資:金色財經報道，數字藏品公司Forum3完成1000萬美元的種子輪融資，由風險投資公司 Decasonic 領投，Bloccelerate、Liberty City Ventures、Arca、Polygon Ventures 和 Valor Siren Ventures 跟投。Forum3 將利用這筆資金將數字收藏品帶入品牌忠誠度獎勵計劃，例如星巴克。[2022/12/10 21:34:40]

此外，僅兩個月后的2019年12月，ParityEthereum宣布退出以太坊工作，而OpenEthereum接管了代碼庫的維護工作。

之后一個新的客戶端協調頻道被創建，在該頻道中，Geth，Nethermind，OpenEthereum和Besu開發人員繼續進行協調。

解決方案

我們意識到，我們必須采取兩種方法來解決這些問題。一種方法是使用以太坊協議，并以某種方式在協議層解決該問題。最好不要違反合約，最好不要懲罰“良好”行為，但仍要設法防止攻擊。

第二種方法是通過軟件工程，通過更改客戶端中的數據模型和結構。

協議層工作

如何處理這些類型的攻擊的第一個迭代升級可以在這里查看。2020年2月，該解決方案以EIP2583的形式正式發布。其背后的想法是，每當一次Trie查找導致遺漏時，簡單地增加一個罰款。

但是，Peter為這個想法找到了一種解決方法——“屏蔽中繼”攻擊——將這種懲罰的有效范圍設定一個上限。

對于miss所導致的罰款的問題在于，首先需要進行查找，以確定必須施加罰款。但是，如果剩余的gas不足以進行罰款，則表明已執行了未付費用。即使確實導致拋出異常，也可以將這些狀態讀取包裝到嵌套調用中。允許外部調用者繼續重復攻擊而無需支付罰款。

因此，這個EIP被棄置，而我們正在尋找更好的替代方案。

阿列克謝·阿克胡諾夫探索了Oil的概念，它是“gas”的第二種來源，但與gas本質上不同，因為執行層看不到它，并可能導致交易全局還原。

Martin在2020年5月提出了一個類似提案，關于Karma的。

在迭代這些計劃時，VitalikButerin建議僅增加gas成本，并維持訪問名單。2020年8月，Martin和Vitalik開始迭代，也就是后來的EIP-2929及EIP-2930。

EIP-2929有效地解決了許多以前的問題。

與EIP-1884相反，它僅針對尚未訪問的內容增加成本。這導致凈成本僅增加了不足百分之一。

此外，它與EIP-2930一樣，不會破壞任何合約流

而且，可以通過提高gas成本來進一步調整它。

2021年4月15日，它們都隨著柏林升級而上線。

開發工作

2019年10月，Peter嘗試解決此問題的方法是進行動態狀態快照。

快照是一種二級數據結構，用于以平面格式存儲以太坊狀態，在Geth節點的實時運行期間，可以完全在線構建。

照的好處在于，它充當狀態訪問的一種加速結構：

快照無需提供O磁盤讀取來訪問帳戶/存儲插槽，而是可以提供直接的O訪問時間。

快照支持每項條目O復雜度的帳戶和存儲迭代，這使遠程節點可以比以前便宜得多地檢索順序狀態數據。

快照的存在還實現了更多奇特的用例，例如離線修剪狀態Trie或遷移到其他數據格式。

快照的缺點是原始帳戶和存儲數據實際上是重復的。對于主網，這意味著要使用額外的25GBSSD空間。

動態快照的想法已經在2019年中期開始，主要目的是成為snap同步的推動者。當時，Geth團隊正在開展許多“大項目”。

離線狀態修剪

動態快照+snap同步

通過分片狀態進行的LES狀態分布

但是，最后決定完全優先考慮快照，暫時將其他項目推遲。這些奠定了后來成為snap/1同步算法的基礎。于2020年3月合并到主網。

隨著“動態快照”功能的發布，我們有了一些喘息的空間。如果以太坊網絡受到攻擊，那將是痛苦的，是的，但是至少有可能通知用戶有關啟用快照的信息。整個快照生成將花費大量時間，并且尚無法同步快照，但是網絡至少可以繼續運行。

在2021年3月至4月，snap/1協議在geth中推出，從而可以使用基于快照的新算法進行同步。盡管仍然不是默認的同步模式，但這是使快照不僅可用作攻擊防護，而且對于用戶來說是一項重大改進。

在協議方面，柏林升級在2021年4月正式執行。

以下是在我們的AWS監控環境中制定的一些基準測試：

柏林升級前，無快照，25Mgas：14.3s

柏林升級前，有快照，25Mgas：1.5s

柏林升級后，無快照，25Mgas：~3.1s

柏林升級后，有快照，25Mgas：~0.3s

數字表示，柏林升級將攻擊的效率降低了5倍，快照將攻擊的效率降低了10倍，總共將攻擊影響降低了50倍。

我們估計，目前在主網上，在沒有快照的情況下，創建區塊可能需要2.5-3s在一個geth節點上執行。隨著狀態的增長，該數字將繼續惡化。

如果使用refund來增加一個區塊內的有效gas使用量，則可以進一步提高2x倍。使用EIP1559，區塊gas限制將具有更高的彈性，并允許在臨時爆發中再增加2倍。

至于實施這種攻擊的可行性；攻擊者購買一個完整的區塊所需的成本約為幾個ETH。

為什么現在披露這個威脅？

長期以來，這種威脅一直是“公開秘密”，實際上至少有一次被無意間地公開披露，并且在ACD電話會議中多次被提及，但沒有明確的細節。

由于柏林升級現在已經過去，并且默認情況下，geth節點正在使用快照，因此我們估計這個威脅的危險程度非常低，可以公開了，現在該對此前的開發者幕后工作進行全面披露。

至關重要的是，社區必須有機會了解對用戶體驗產生負面影響的變更背后的原因，例如增加gas成本和限制refund。

這篇文章是由馬丁·霍爾斯特·斯文德和彼得·西拉吉2021-04-23撰寫的。在2021-04-26與其他基于以太坊的項目共享，并在2021-05-18公開披露。

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