GAS:拆解以太坊状态（State）问题：一个鲜为人知的严重威胁_GETH

以太坊基金会今日发文披露了一个2019年首次发现的安全漏洞，在上个月的柏林升级之前，该漏洞的严重程度为发生攻击时可能使主网瘫痪。该漏洞的本质是触发随机Trie查询，以太坊开发人员曾试图用EIP-1884、EIP-2583、EIP-2929、以及快照功能来抵御该漏洞，最终在柏林升级之后该漏洞危险性降低。

通过此博客文章，目的是正式披露以太坊平台所面临的一个严重威胁。在以太坊柏林硬分叉之前，这个威胁是切实存在的。

状态

让我们从以太坊和状态的背景知识开始。

以太坊状态由一种patricia-merkletrie组成。这篇文章将不做过多的详细介绍，随着状态的增长，这个树上的树枝变得越来越密。添加的每个帐户都是一片叶子。在树的根和叶本身之间，有许多“中间”节点。

为了在这棵巨大的树中查找给定的帐户或“叶子”，需要从根到中间节点来解析大约6-9个哈希的某个位置，以最终解析最后一个哈希hash，该哈希会指向我们正在寻找的数据。

简而言之：每执行一次Trie查找来查找帐户，就会执行8-9个解析操作。每个解析操作都是一次数据库查找，并且每词数据库查找可以是任意数量的真实磁盘操作。磁盘操作的次数很难估计，但是由于trie密钥是加密哈希，因此密钥是“随机的”，这对任何数据库来说都是最糟糕的情况。

金色财经行情播报丨BTC再上11000美元 多头势不可挡:据火币行情显示，继昨日BTC再度破万后，今日凌晨BTC再度拉升并持续上涨，上午最高触及11386USDT，多头势不可挡。日线图BTC收涨9日，上升通道加速突破上轨；4小时图上根K线出现长上影线，多头稍作修整；1小时图上升趋势稳健，多头强势。截至10:00，主流币的具体表现如下：[2020/7/28]

随着以太坊的增长，有必要提高访问trie的操作的gas价格。这是在2016年10月区块高度2,463,000的TangerineWhistle中执行的，其中包括EIP150。EIP150在所谓的“上海攻击”之后大幅提高了某些操作的gas成本，并进行了一系列更改以防止DoS攻击。

另一项gas提升同样在伊斯坦布尔升级中被执行，即2019年12月区块高度9,069,000。在这次升级中，EIP1884被激活。

EIP1884引入了以下操作成本更改：

SLOAD从200提升到800gas，

BALANCE从400提升到700gas，

EXTCODEHASH从400提升到700gas。

问题

2019年3月，MartinSwende对EVM操作码性能进行了一些测量。这次调查之后促成创建了EIP-1884。在EIP-1884上线之前的几个月，《BrokenMeter》论文正式发表。

金色晨讯 | 5月24日隔夜重要动态一览:21:00-7:00关键词：人大代表、福建、以太坊、巴黎大学

1. 全国人大代表檀结庆：建议设立区块链产业发展专项基金；

2. 福建省政协主席：引导企业利用区块链等技术创造价值；

3. 以太坊2.0或将再被推迟 多个竞争对手或抢先运行PoS共识；

4. 研究：比特币或与其他山寨币价格走势是“异步”关系；

5. 巴黎大学研究员：比特币可以包含在对冲特定市场风险的各种工具中；

6. 数据：今年以来比特币平均交易费用增加超过22倍；

7. 报告：预计2025年区块链在能源市场的价值将达到30亿美元

8. 研究：超过99％的Zcash用户未能利用该协议的隐私功能。[2020/5/24]

两位以太坊安全研究人员与该论文的一位作者DanielPerez合作“武器化”了一个漏洞，他们将漏洞提交给了以太坊赏金计划。这是在2019年10月4日。

我们建议您完整阅读那次提交的内容，这是一份精心撰写的报告。

在专门用于讨论跨客户端安全性的频道上，当天，来自Geth，Parity和Aleth的开发人员被告知了有关提交的信息。

该漏洞的本质是触发随机trie查询。一个非常简单的变体是：

金色相对论 | 杨玉梅：2020年传统投资机构对于区块链领域会相对谨慎:在本期金色相对论中，节点资本管理合伙人杨玉梅发言指出：从疫情爆发以来，我们可以看到区块链行业很多企业和从业者都在为疫情做出不同的贡献。但非常遗憾的是，在这个特殊时期，与传统互联网企业相比，区块链领域的企业还是太小。到目前为止，没有能出来一个扛“大旗”的区块链企业，让社会各界看到区块链领域在这个特殊时期作出的贡献。

从某种意义上说，我们明显看到目前“区块链+”领域发展是非常初期的，还没有出现任何一家龙头企业或者开发出一个完善的系统，能够在无论是慈善、物流追踪还是溯源等方面，广泛应用并发挥巨大效力。从这点来看，现阶段区块链应用落地并没有展示出满意的状态。因此“区块链+”距离大规模的成熟应用还是有一定的距离，作为行业从业者我们不能盲目乐观。至于是否能吸引更多资金投入到区块链行业，长远来看，随着行业的发展，资金进入是必然的，因为这个行业的发展非常可期。但是，对于2020年，我觉得不会太好，今年受大环境和政策的影响，传统投资机构对于区块链领域会相对谨慎。[2020/2/13]

在他们的报告中，研究人员通过eth_call对同步到主网的节点执行了此有效负载，这些是在使用10Mgas时执行的数量：

使用EXTCODEHASH?发动10Mgas攻击

金色财经现场报道 孙健：投资机构面临优质项目时已经没有了话语权:金色财经现场报道，在火讯琅琊榜观火“第2期线下见面会”上，火讯琅琊榜阁主孙健指出：我们现在自己就是创业者，是一个创立一年多的投资机构。面临优质项目的时候，投资机构已经没有话语权了，因为你与项目接触的时间非常少，在一周的时间内，要将竞调等事情都做完。在传统投资领域，则需要四个月以上的时间。[2018/6/2]

Parity:?~90s

Geth:?~70s

使用EXTCODESIZE?发动10Mgas攻击

Parity:?~50s

Geth:?~38s

显而易见，EIP1884引入的更改确实在降低攻击方面产生了影响，但远远不够。

在大阪Devcon大会之前确实如此。在Devcon期间，主网客户端开发人员之间共享了该问题的知识。我们还与Hubert和Mathias以及GregMarkou进行了会面。ETC开发人员也收到了这份报告。

随着2019年临近尾声，我们知道我们遇到的问题比我们之前预期的要大，恶意交易可能导致区块时间间隔增加到分钟级。更糟的是，开发人员已经对EIP-1884感到不满意，因为EIP-1884中断了某些合约程序，而用户和矿工们都为提高gas限制而着急。

金色财经讯:阿联酋首都阿布扎比金融服务监管局（FSRA）周一就ICO和虚拟货币的监管发布“指南”，列出了在“金融服务和市场法规”对ICO和虚拟货币的管理方法。FSRA认为，ICO代表了为公司和项目筹集资金的一种新颖而又具有成本效益的方法。[2017/10/11]

此外，仅两个月后的2019年12月，ParityEthereum宣布退出以太坊工作，而OpenEthereum接管了代码库的维护工作。

之后一个新的客户端协调频道被创建，在该频道中，Geth，Nethermind，OpenEthereum和Besu开发人员继续进行协调。

解决方案

我们意识到，我们必须采取两种方法来解决这些问题。一种方法是使用以太坊协议，并以某种方式在协议层解决该问题。最好不要违反合约，最好不要惩罚“良好”行为，但仍要设法防止攻击。

第二种方法是通过软件工程，通过更改客户端中的数据模型和结构。

协议层工作

如何处理这些类型的攻击的第一个迭代升级可以在这里查看。2020年2月，该解决方案以EIP2583的形式正式发布。其背后的想法是，每当一次Trie查找导致遗漏时，简单地增加一个罚款。

但是，Peter为这个想法找到了一种解决方法——“屏蔽中继”攻击——将这种惩罚的有效范围设定一个上限。

对于miss所导致的罚款的问题在于，首先需要进行查找，以确定必须施加罚款。但是，如果剩余的gas不足以进行罚款，则表明已执行了未付费用。即使确实导致抛出异常，也可以将这些状态读取包装到嵌套调用中。允许外部调用者继续重复攻击而无需支付罚款。

因此，这个EIP被弃置，而我们正在寻找更好的替代方案。

阿列克谢·阿克胡诺夫探索了Oil的概念，它是“gas”的第二种来源，但与gas本质上不同，因为执行层看不到它，并可能导致交易全局还原。

Martin在2020年5月提出了一个类似提案，关于Karma的。

在迭代这些计划时，VitalikButerin建议仅增加gas成本，并维持访问名单。2020年8月，Martin和Vitalik开始迭代，也就是后来的EIP-2929及EIP-2930。

EIP-2929有效地解决了许多以前的问题。

与EIP-1884相反，它仅针对尚未访问的内容增加成本。这导致净成本仅增加了不足百分之一。

此外，它与EIP-2930一样，不会破坏任何合约流

而且，可以通过提高gas成本来进一步调整它。

2021年4月15日，它们都随着柏林升级而上线。

开发工作

2019年10月，Peter尝试解决此问题的方法是进行动态状态快照。

快照是一种二级数据结构，用于以平面格式存储以太坊状态，在Geth节点的实时运行期间，可以完全在线构建。

照的好处在于，它充当状态访问的一种加速结构：

快照无需提供O磁盘读取来访问帐户/存储插槽，而是可以提供直接的O访问时间。

快照支持每项条目O复杂度的帐户和存储迭代，这使远程节点可以比以前便宜得多地检索顺序状态数据。

快照的存在还实现了更多奇特的用例，例如离线修剪状态Trie或迁移到其他数据格式。

快照的缺点是原始帐户和存储数据实际上是重复的。对于主网，这意味着要使用额外的25GBSSD空间。

动态快照的想法已经在2019年中期开始，主要目的是成为snap同步的推动者。当时，Geth团队正在开展许多“大项目”。

离线状态修剪

动态快照+snap同步

通过分片状态进行的LES状态分布

但是，最后决定完全优先考虑快照，暂时将其他项目推迟。这些奠定了后来成为snap/1同步算法的基础。于2020年3月合并到主网。

随着“动态快照”功能的发布，我们有了一些喘息的空间。如果以太坊网络受到攻击，那将是痛苦的，是的，但是至少有可能通知用户有关启用快照的信息。整个快照生成将花费大量时间，并且尚无法同步快照，但是网络至少可以继续运行。

在2021年3月至4月，snap/1协议在geth中推出，从而可以使用基于快照的新算法进行同步。尽管仍然不是默认的同步模式，但这是使快照不仅可用作攻击防护，而且对于用户来说是一项重大改进。

在协议方面，柏林升级在2021年4月正式执行。

以下是在我们的AWS监控环境中制定的一些基准测试：

柏林升级前，无快照，25Mgas：14.3s

柏林升级前，有快照，25Mgas：1.5s

柏林升级后，无快照，25Mgas：~3.1s

柏林升级后，有快照，25Mgas：~0.3s

数字表示，柏林升级将攻击的效率降低了5倍，快照将攻击的效率降低了10倍，总共将攻击影响降低了50倍。

我们估计，目前在主网上，在没有快照的情况下，创建区块可能需要2.5-3s在一个geth节点上执行。随着状态的增长，该数字将继续恶化。

如果使用refund来增加一个区块内的有效gas使用量，则可以进一步提高2x倍。使用EIP1559，区块gas限制将具有更高的弹性，并允许在临时爆发中再增加2倍。

至于实施这种攻击的可行性；攻击者购买一个完整的区块所需的成本约为几个ETH。

为什么现在披露这个威胁？

长期以来，这种威胁一直是“公开秘密”，实际上至少有一次被无意间地公开披露，并且在ACD电话会议中多次被提及，但没有明确的细节。

由于柏林升级现在已经过去，并且默认情况下，geth节点正在使用快照，因此我们估计这个威胁的危险程度非常低，可以公开了，现在该对此前的开发者幕后工作进行全面披露。

至关重要的是，社区必须有机会了解对用户体验产生负面影响的变更背后的原因，例如增加gas成本和限制refund。

这篇文章是由马丁·霍尔斯特·斯文德和彼得·西拉吉2021-04-23撰写的。在2021-04-26与其他基于以太坊的项目共享，并在2021-05-18公开披露。

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