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。

FiHP NFT項目Discord服務器遭到攻擊:金色財經消息，據CertiK監測，FiHP NFT項目Discord服務器遭到攻擊。請社區用戶在服務器修復之前不要點擊任何鏈接。[2023/3/5 12:42:54]

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：

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。

Filecoin發布2023年三項重大項目更新（FVM、數據計算、檢索市場）:2月18日，據官方消息，Filecoin Network發文分享了2023 Web3前沿趨勢，包括2023年三項重大項目更新：Filecoin虛擬機（FVM），2023年會逐步升級協議，繼續推動其可編程性路線圖；數據計算(Bacalhau)，2023年年底會提供一個完全分布式的數據處理系統，它能運行在所有地方的各類設備上；檢索市場，今年會帶來去中心化檢索市場的更多用例，如為數據檢索設計的超快速付款、數據轉移協議增強機制和加密經濟學模型。[2023/2/18 12:14:49]

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：

寵物食品公司Pedigree推出Fosterverse，將犬類領養帶入虛擬世界Decentraland:金色財經報道，寵物食品公司 Pedigree 宣布推出了 Fosterverse，這是一項新計劃，允許在虛擬世界 Decentraland 中虛擬飼養現實生活中的救援犬。虛擬世界中的業主將能夠上傳基于待領養的真狗的 3D 頭像，土地所有者將能夠將這些狗放在他們在 Decentraland 的地塊上，用戶可以與虛擬化身所代表的真正救援犬聊天并收養它，或者向 Pedigree Foundation 捐贈來幫助有需要的類似可領養寵物。

為推進該計劃的使命，Pedigree 品牌將發放高達100,000 美元的捐款，通過其年度撥款計劃支持 PEDIGREE 基金會，特別是幫助資助全國各地收容所和救援的培養計劃。參與該活動的愛狗人士可以獲得定制的 FOSTERVERSE 可穿戴設備，以便在 Decentraland中活動。[2023/1/26 11:30:14]

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

英國央行加息50個基點至2.25%:金色財經報道，英國央行加息50個基點至2.25%，符合市場預期，自去年12月已連續7次加息。此外，英國央行預計未來幾個月通脹率將超過10%，預計10月份通脹率將在略低于11％的水平達到峰值。預計2022年第三季度GDP萎縮0.1%（8月預測為增長0.4%），將連續第二個季度萎縮，符合技術衰退的定義。[2022/9/22 7:14:37]

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。

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。

MtGox開始登記信息或將向債權人償還BTC，累計超14萬枚:7月8日消息，MtGox向債權人發送了有關還款信息的電子郵件，Mt. Gox律師Nobuaki Kobayashi證實，他們正在“準備償還”BTC給賬戶持有人，債權人可進行相關信息的確認登記和選擇，比如是否希望提前一次性還款，接受比特幣支付或者現金支付。

該文件還規定，轉讓期將從八月底開始，一直持續到全部或部分還款完成為止。同時，規定隨著轉讓期的開始，新的索賠將不予考慮，文件中沒有具體說明計劃退還資金的確切日期、數字或金額。多位 MtGox 債權人認為償還計劃或于今年8月底開始，最遲至2023年上半年。根據之前的文件，截至2019年9月，受托人持有141,686枚BTC以及BCH。[2022/7/8 1:59:13]

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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