ETHER:躲避子弹：以太坊状态问题_RIT20

这篇文章的目的是正式公开一个对以太坊平台的严重威胁，其危险性清晰而明确，直到“柏林”硬分叉才解除。

状态

我们先来了解一些以太坊和“状态”的背景知识。

以太坊状态是一棵帕特里夏-默克尔树。本文不会深入过多细节，你只要知道，随着状态数量的增长，这个树结构的分支会变得越来越密。以太坊区块链上每多一个账户，这棵树就多一个叶子节点。在树的根节点与叶子节点，是许多所谓的“中间”节点。

为了查找某个账户，或者说在这棵庞大的树上找到某片“叶子”，需要解析6~9个哈希值，从根节点开始，经由中间节点，最终解析到一个能够给予我们所需数据的哈希值。

用大白话来说：无论什么时候要在这棵树上查找某个账户，都要经过8~9次解析操作。每次解析操作都是一次数据库查询，而每一次数据库查询都意味着不确定数量的多次硬盘操作。硬盘操作的次数很难估计，但是因为状态树的“键”是密码学哈希值，所以这些键都是随机的，这对所有数据库来说都属于最坏的情况。

随着以太坊状态的增加，就有必要提高访问状态树的操作的Gas消耗量。早在2016年10月，我们就曾用“橘子口哨”分叉做过这样的事。EIP150大幅提高了特定操作的Gas消耗量，并引入了一系列的措施来保护网络免于DoS攻击；这是在所谓的“上海攻击”之后推出的。

另一次这样的Gas消耗量提升是在“伊斯坦布尔”分叉的时候，在区块高度?9069000?激活，引入了EIP1884。1884的内容包括：

SLOAD?操作码的Gas消耗量从?200?提高到?800?gas

BALANCE?消耗量从?400?提高到?700?gas

EXTCODEHASH?消耗量从?400?提升到?700?gas

问题

在2019年3月，MartinSwende测量了EVM操作码的性能。这一研究后来导致了EIP-1884的创建。在1884激活的几个月前，这篇以“BrokenMetre”为名的论文发表。

两位以太坊安全研究员——HubertRitzdorf和MatthiasEgli——与这篇论文的作者之一DanielPerez展开了合作，并“武器化”了一个漏洞，并提交给了以太坊的bug悬赏项目。那是在2019年10月4日。

我们建议你完整地阅读他们提交的报告，写得非常好。

在一个专门讨论跨客户端安全性的频道里，来自Geth客户端、Parity客户端和Aleth客户端的开发者被告知了这份报告，就在同一天。

该漏洞的本质是触发随机的树查找。一个非常简单的变体是：

在他们的报告里，研究员通过?eth_call?RPC端点对同步到主网的节点执行了这一负载，下面是它们消耗1000万gas所需的时间。

使用?EXTCOEHASH?耗尽1000万gas

Parity：约90秒

Geth：约70秒

使用?EXTCODESIZE?消耗1000万gas

Parity：约50秒

Geth：约38秒

显而易见的是，EIP-1884确实减少了攻击的效果，但还是远远不够的。

那时候离大阪Devcon已经很近了。在Devcon期间，关于这一问题的知识在主网的客户端开发者之间传开来。我们也会晤了Hubert和Mathias，还有GregMarkou。ETC区块链的开发者们也收到了这份报告。

随着2019年接近尾声，我们发现，这问题比我们之前以为的还要棘手，恶意的事务可能导致出块时间延长到以分钟计。更难办的是，开发者社区已经对EIP-1884感到不满，它打破了一些合约，而且用户和矿工都希望提高区块的GasLimit。

此外，仅仅两个月之后，到了2019年12月，PartiyEthereum就宣布要退出了，OpenEthereum项目接管了Parity客户端的代码维护工作。

于是大家创建了一个新的客户端协作频道，Geth、Netheremind、OpenEthereum和Besu的开发者继续合作。

解决方案

我们意识到，只有双管齐下才能解决这个问题。一方面，我们要改进以太坊协议，也就是在协议层解决这个问题；最好是不要打破合约，也不要惩罚“善意”的行为，但又能防止攻击。

另一方面，我们可以依靠软件工程，改变客户端内的数据模式和结构。

协议层工作

处理此类攻击的第一个思路是这个。在2020年2月，其正式版本作为EIP2583发布。该提案背后的观念是增加一个惩罚措施，每次树查找导致miss时就触发。

不过，Peter找出了一个绕过它的办法——“shieldedrelay”攻击——使得本质上惩罚有了一个上限。

惩罚miss?方法的问题在于，必须先有查找的过程，然后才能确定要不要实施惩罚。但如果剩余的gas已不足于实施惩罚，则一个没有得到充分支付的消耗流程又已经执行了。即使这会导致抛出错误，这些状态读取也可以封装到嵌套调用中，使得外部调用者可以重复执行攻击而不必支付惩罚。

因此，这个EIP也被抛弃了，我们要寻找更好的替代方案。

AlexeyAkhunov研究了Oil的概念——一种次级的“Gas”，但与Gas完全不同的是，它对执行层是不可见的，而且可能导致事务全局回滚。

Martin提了一个类似的提案，称为“Karma”，在2020年5月。

虽然这许多方案都有进展，VitalikButerin提议仅仅提高Gas消耗量，并维护一个“访问清单”。在2020年8月，Martin和Vitalik开始迭代后来成为EIP-2929及其同伴EIP-2930?的想法。

EIP-2929在根本上解决了许多上面提到的问题。

与EIP-1884相反；1884是无条件提高Gas消耗量，但2929仅提高访问新对象的Gas消耗量。这使得净成本仅增加了不到一个百分点。

同样地，与EIP-2930配合后，就不会打破任何合约。

它还可以通过提高Gas消耗量来进一步调整

在2021年4月14日，这两个EIP都在“柏林”分叉时激活。

开发工作

Peter尝试用动态的状态快照解决这个问题，时值2019年10月。

快照是一个次级的数据结构，用来以扁平格式存储以太坊状态。快照可在Geth节点正常运行期间创建，无需下线专门执行。快照的好处是，它可以作为状态访问的一种加速结构：

不再是执行?O(logN)?次硬盘读取来访问一个账户/存储项，快照可以提供直接的，O(1)?级别的访问时间。

快照还支持以每个条目?O(1)?的复杂度迭代账户和存储项，这使得远程节点可以检索连续的状态数据，比以往便宜非常多。

快照的存在还支持其它更奇怪的用途，比如离线修剪状态树，以及迁移到另一种数据格式。

弊端是，快照等于是完全复制了账户和存储项的未经处理的数据。若在主网环境中使用，这意味着需要额外25GB的固态硬盘空间。

动态快照的想法从2019年中就有了，当时的主要目标是启用“快照同步”。那时候Geth团队还在开发许多“大项目”：

离线的状态修剪

同态快照快照同步

通过共享状态实现LES状态分散

不过，后来他们决定一心一意做快照功能，推迟了其他项目。这些工作为后来的?snap/1?同步算法打下了基础。这一算法已在2020年3月合并到了代码库中。

有了“动态快照”功能，我们就能喘口气了。如果以太坊网络遭到攻击，那会是很痛苦的，但至少，我们能通知用户打开快照功能。生成快照需要花一些时间，而且还没有办法同步快照，但网络至少能继续运行了。

结合

在2021年3月/4月，?snap/1?协议已经在geth客户端推出，节点能够使用新的、基于快照的算法来同步区块链了。虽然还不是默认的同步模式，这是使快照能不仅作为攻击保护措施，也能显著提高用户体验的一部。

在协议层，“柏林”升级已于2021年4月激活。

在我们的AWS监控环境中，我们的基准测试结果如下：

“柏林”前，没有快照，处理2500万gas：14.3秒

“柏林”前，有快照，处理2500万gas：1.5秒

“柏林”后，没有快照，处理2500万gas：约3.1秒

“柏林”后，有快照，处理2500万gas：约0.3秒

这个的数字表明，“柏林”升级使攻击的效率降低了5倍，而快照使之降低了10倍，最终使其影响降低了50倍。

我们估计，在当前的主网上，不使用?快照的geth节点可能可以做到只需2.5~3秒就能执行一个区块。随着状态的增长，这个数字会继续恶化。

如果gas返还机制被用来造成单个区块的实际gas使用量提升，这个恶化的倍数是2倍。在EIP-1559实施后，区块的GasLimit会有更高的弹性，在短时间内可爆发出最大2倍的恶化乘数。

至于实施这种攻击的可行性，攻击者买断一个区块的成本大概在几个ETH这样的级别。

为何要在此时公开

这一威胁在很长时间里都是“公开的秘密”——因为疏忽，它至少被公开披露过一次；而且在核心开发者会议中也多次提到它，虽然没有公开细节。

因为我们已经激活了“柏林”升级，也因为geth客户端已经默认使用快照功能，我们认为，威胁已经足够低，而透明化才是更重要的了。所以是时候把幕后的工作都公开了。

重要的是，社区得到了一次理解和思考这些影响用户体验的变更的机会。

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