拆解以太坊狀態（State）問題：一個鮮為人知的嚴重威脅_GAS:以太坊

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。

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-merkle trie（一種前綴樹）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（抗沖突），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。

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Tangerine Whistle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。

外媒：美國加密公司正尋求瑞士銀行合作伙伴:金色財經報道，美國的一些加密公司正試圖尋求在瑞士銀行開設賬戶，此前兩家專注于加密貨幣的美國銀行倒閉，使它們更難使用美國的貸款機構，但銀行家們表示，瑞士公司可能不會接受這些賬戶。

總部位于瑞士的 Arab Bank表示，隨著對Silvergate的疑慮增加，過去幾周尋求開設賬戶的美國公司（主要是加密基金或參與加密風險投資公司）有所增加。Arab Bank財務和金融機構負責人ani Jabban表示，其中約80%的客戶是Silvergate的客戶。（路透社）[2023/3/14 13:02:30]

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，EIP 1884被激活。

EIP 1884引入了以下操作成本更改：

SLOAD從200提升到800gas，

BALANCE從400提升到700gas（SELFBALANCE有所降低），

EXTCODEHASH從400提升到700gas。

2019年3月，Martin Swende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，《Broken Meter》論文正式發表（2019年9月）。

ETH 2.0總質押數已超1688.13萬:金色財經報道，數據顯示，ETH 2.0總質押數已超1688.13萬，為16881335個，按當前市場價格，價值約279.01億美元。此外，目前ETH 2.0質押總地址數已超54.06萬，為540649個。[2023/2/26 12:29:40]

兩位以太坊安全研究人員（Hubert Ritzdorf和Matthias Egli ）與該論文的一位作者Daniel Perez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：

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10M gas時執行的數量：

使用EXTCODEHASH?（400 gas）發動10M gas攻擊

Parity:?~90s

Geth:?~70s

使用EXTCODESIZE?（700gas）發動10M gas攻擊

比特幣全網未確認交易數量為6209筆:金色財經報道，BTC.com數據顯示，目前比特幣全網未確認交易數量為6209筆，全網算力為320.57 EH/s，24小時交易速率為3.07交易/s，目前全網難度為39.16 T，預測下次難度上調10.13%至43.12 T，距離調整還剩4天。[2023/2/21 12:18:18]

Parity :?~50s

Geth :?~38s

顯而易見，EIP 1884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Greg Markou（來自Chainsafe的ETC工作人員）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。

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

聯邦能源機構不愿就白宮的加密采礦建議采取行動:金色財經報道，主張加強對加密采礦實體的審查的美國立法者賈里德霍夫曼（Jared Huffman）批評了美國能源機構，他指責美國能源機構未能按照白宮的要求采取行動。然而，聯邦能源監管委員會委員 Allison Clements 堅持認為，不應將加密采礦從網格研究中挑出來。

美國能源和環境官員尚未宣布計劃追求可能的效率標準或按照白宮報告的要求進行能源使用研究。另一方面，薩馬拉斯在聯邦能源監管委員會 (FERC) 和北美電力可靠性委員會 (NAERC) 的同行堅稱，如果發生電網短缺，他們已經制定了保障措施，因此沒有計劃專門針對加密貨幣。（news.bitcoin）[2022/10/6 18:40:33]

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。

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。

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EIP 2583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（miss）時，簡單地增加一個罰款。

報告：以太坊合并后有望被機構大力采用:金色財經報道，Bernstein在一份研究報告中表示，以太坊合并下的新經濟模式與代幣銷毀相結合，可能會導致在需求旺盛時期出現通縮的情況。

以太坊的合并，可能會導致機構大力采用。Bernstein表示，鑒于其經濟轉型、可擴展性路線圖以及其充滿活力的數字經濟，區塊鏈將“成為數字資產類別的領導者”。由于其領先的市場份額、市值和流動性，他預計以太坊 (ETH) 將被機構廣泛采用。[2022/9/15 6:59:07]

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（約800gas）。

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（全部）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（Alexey Akhunov）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，Vitalik Buterin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（無條件增加成本）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（不中斷操作）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。

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（log N）磁盤讀取（x LevelDB開銷）來訪問帳戶/存儲插槽，而是可以提供直接的O（1）訪問時間（x LevelDB開銷）。

快照支持每項條目O（1）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25GB SSD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，25M gas：14.3s

柏林升級前，有快照，25M gas：1.5s

柏林升級后，無快照，25M gas：~3.1s

柏林升級后，有快照，25M gas：~0.3s

（粗略的）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（15M gas）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（對于非快照節點）。

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（max）2x倍。 使用EIP 1559，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（ELASTICITY_MULTIPLIER）。

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（以100Gwei的價格購買15Mgas為1.5ETH）。

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（Martin Holst Swende）和彼得·西拉吉（Peter Szilagyi）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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