GAS:躲避子彈：以太坊狀態問題

這篇文章的目的是正式公開一個對以太坊平臺的嚴重威脅，其危險性清晰而明確，直到“柏林”硬分叉才解除。

狀態

我們先來了解一些以太坊和“狀態”的背景知識。

以太坊狀態是一棵帕特里夏-默克爾樹。本文不會深入過多細節，你只要知道，隨著狀態數量的增長，這個樹結構的分支會變得越來越密。以太坊區塊鏈上每多一個賬戶，這棵樹就多一個葉子節點。在樹的根節點與葉子節點，是許多所謂的“中間”節點。

為了查找某個賬戶，或者說在這棵龐大的樹上找到某片“葉子”，需要解析6~9個哈希值，從根節點開始，經由中間節點，最終解析到一個能夠給予我們所需數據的哈希值。

用大白話來說：無論什么時候要在這棵樹上查找某個賬戶，都要經過8~9次解析操作。每次解析操作都是一次數據庫查詢，而每一次數據庫查詢都意味著不確定數量的多次硬盤操作。硬盤操作的次數很難估計，但是因為狀態樹的“鍵”是密碼學哈希值，所以這些鍵都是隨機的，這對所有數據庫來說都屬于最壞的情況。

隨著以太坊狀態的增加，就有必要提高訪問狀態樹的操作的Gas消耗量。早在2016年10月，我們就曾用“橘子口哨”分叉做過這樣的事。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來保護網絡免于DoS攻擊；這是在所謂的“上海攻擊”之后推出的。

ConsenSys發布“Diligence Fuzzing”工具來測試智能合約漏洞:金色財經報道，根據8月1日的公告，區塊鏈技術公司ConsenSys公開發布了用于智能合約測試的“Diligence Fuzzing”工具。新工具會生成“隨機且無效的數據點”，以便在合約發布之前發現合約中的漏洞。

該新工具過去以封閉測試版本提供，開發人員需要獲得訪問批準。自8月1日起，不再需要此審批流程。Diligence Fuzzing現在還與智能合約工具包Foundry集成，并為想要在花錢之前進行測試的開發人員提供免費版本。[2023/8/1 16:11:50]

另一次這樣的Gas消耗量提升是在“伊斯坦布爾”分叉的時候，在區塊高度?9069000?激活，引入了EIP1884。1884的內容包括：

SLOAD?操作碼的Gas消耗量從?200?提高到?800?gas

BALANCE?消耗量從?400?提高到?700?gas

EXTCODEHASH?消耗量從?400?提升到?700?gas

問題

在2019年3月，MartinSwende測量了EVM操作碼的性能。這一研究后來導致了EIP-1884的創建。在1884激活的幾個月前，這篇以“BrokenMetre”為名的論文發表。

972枚BTC從幣安轉入Coinbase:金色財經報道，據Whale Alert監測數據顯示，972枚BTC（價值約26314284美元）從幣安轉入Coinbase。[2023/3/28 13:30:34]

兩位以太坊安全研究員——HubertRitzdorf和MatthiasEgli——與這篇論文的作者之一DanielPerez展開了合作，并“武器化”了一個漏洞，并提交給了以太坊的bug懸賞項目。那是在2019年10月4日。

我們建議你完整地閱讀他們提交的報告，寫得非常好。

在一個專門討論跨客戶端安全性的頻道里，來自Geth客戶端、Parity客戶端和Aleth客戶端的開發者被告知了這份報告，就在同一天。

該漏洞的本質是觸發隨機的樹查找。一個非常簡單的變體是：

在他們的報告里，研究員通過?eth_call?RPC端點對同步到主網的節點執行了這一負載，下面是它們消耗1000萬gas所需的時間。

使用?EXTCOEHASH?耗盡1000萬gas

Parity：約90秒

Geth：約70秒

使用?EXTCODESIZE?消耗1000萬gas

數據：DeFi協議總鎖倉量達791.5億美元:金色財經報道，據Defi Llama數據顯示，DeFi協議總鎖倉量（TVL）達到791.5億美元，24小時漲幅為0.85%。TVL排名前五分別為Lido（82.8億美元）、MakerDAO（72.5億美元）、AAVE（68.8億美元）、Curve（48.2億美元）、Convex Finance（41.5億美元）。[2023/1/30 11:35:59]

Parity：約50秒

Geth：約38秒

顯而易見的是，EIP-1884確實減少了攻擊的效果，但還是遠遠不夠的。

那時候離大阪Devcon已經很近了。在Devcon期間，關于這一問題的知識在主網的客戶端開發者之間傳開來。我們也會晤了Hubert和Mathias，還有GregMarkou。ETC區塊鏈的開發者們也收到了這份報告。

隨著2019年接近尾聲，我們發現，這問題比我們之前以為的還要棘手，惡意的事務可能導致出塊時間延長到以分鐘計。更難辦的是，開發者社區已經對EIP-1884感到不滿，它打破了一些合約，而且用戶和礦工都希望提高區塊的GasLimit。

此外，僅僅兩個月之后，到了2019年12月，PartiyEthereum就宣布要退出了，OpenEthereum項目接管了Parity客戶端的代碼維護工作。

比特幣/GBP的交易量昨天為8.81億美元:金色財經報道，CoinShares研究主管James Butterfill在社交媒體上稱，比特幣/GBP的交易量昨天為8.81億美元（平均為7000萬美元），當法定貨幣受到威脅時，投資者開始青睞比特幣。[2022/9/28 5:58:47]

于是大家創建了一個新的客戶端協作頻道，Geth、Netheremind、OpenEthereum和Besu的開發者繼續合作。

解決方案

我們意識到，只有雙管齊下才能解決這個問題。一方面，我們要改進以太坊協議，也就是在協議層解決這個問題；最好是不要打破合約，也不要懲罰“善意”的行為，但又能防止攻擊。

另一方面，我們可以依靠軟件工程，改變客戶端內的數據模式和結構。

協議層工作

處理此類攻擊的第一個思路是這個。在2020年2月，其正式版本作為EIP2583發布。該提案背后的觀念是增加一個懲罰措施，每次樹查找導致miss時就觸發。

不過，Peter找出了一個繞過它的辦法——“shieldedrelay”攻擊——使得本質上懲罰有了一個上限。

懲罰miss?方法的問題在于，必須先有查找的過程，然后才能確定要不要實施懲罰。但如果剩余的gas已不足于實施懲罰，則一個沒有得到充分支付的消耗流程又已經執行了。即使這會導致拋出錯誤，這些狀態讀取也可以封裝到嵌套調用中，使得外部調用者可以重復執行攻擊而不必支付懲罰。

FTX現已支持ERC-20 GMT:據官方消息，FTX現已支持ERC-20 (Ethereum) - GMT。[2022/7/6 1:55:59]

因此，這個EIP也被拋棄了，我們要尋找更好的替代方案。

AlexeyAkhunov研究了Oil的概念——一種次級的“Gas”，但與Gas完全不同的是，它對執行層是不可見的，而且可能導致事務全局回滾。

Martin提了一個類似的提案，稱為“Karma”，在2020年5月。

雖然這許多方案都有進展，VitalikButerin提議僅僅提高Gas消耗量，并維護一個“訪問清單”。在2020年8月，Martin和Vitalik開始迭代后來成為EIP-2929及其同伴EIP-2930?的想法。

EIP-2929在根本上解決了許多上面提到的問題。

與EIP-1884相反；1884是無條件提高Gas消耗量，但2929僅提高訪問新對象的Gas消耗量。這使得凈成本僅增加了不到一個百分點。

同樣地，與EIP-2930配合后，就不會打破任何合約。

它還可以通過提高Gas消耗量來進一步調整

在2021年4月14日，這兩個EIP都在“柏林”分叉時激活。

開發工作

Peter嘗試用動態的狀態快照解決這個問題，時值2019年10月。

快照是一個次級的數據結構，用來以扁平格式存儲以太坊狀態。快照可在Geth節點正常運行期間創建，無需下線專門執行。快照的好處是，它可以作為狀態訪問的一種加速結構：

不再是執行?O(logN)?次硬盤讀取來訪問一個賬戶/存儲項，快照可以提供直接的，O(1)?級別的訪問時間。

快照還支持以每個條目?O(1)?的復雜度迭代賬戶和存儲項，這使得遠程節點可以檢索連續的狀態數據，比以往便宜非常多。

快照的存在還支持其它更奇怪的用途，比如離線修剪狀態樹，以及遷移到另一種數據格式。

弊端是，快照等于是完全復制了賬戶和存儲項的未經處理的數據。若在主網環境中使用，這意味著需要額外25GB的固態硬盤空間。

動態快照的想法從2019年中就有了，當時的主要目標是啟用“快照同步”。那時候Geth團隊還在開發許多“大項目”：

離線的狀態修剪

同態快照快照同步

通過共享狀態實現LES狀態分散

不過，后來他們決定一心一意做快照功能，推遲了其他項目。這些工作為后來的?snap/1?同步算法打下了基礎。這一算法已在2020年3月合并到了代碼庫中。

有了“動態快照”功能，我們就能喘口氣了。如果以太坊網絡遭到攻擊，那會是很痛苦的，但至少，我們能通知用戶打開快照功能。生成快照需要花一些時間，而且還沒有辦法同步快照，但網絡至少能繼續運行了。

結合

在2021年3月/4月，?snap/1?協議已經在geth客戶端推出，節點能夠使用新的、基于快照的算法來同步區塊鏈了。雖然還不是默認的同步模式，這是使快照能不僅作為攻擊保護措施，也能顯著提高用戶體驗的一部。

在協議層，“柏林”升級已于2021年4月激活。

在我們的AWS監控環境中，我們的基準測試結果如下：

“柏林”前，沒有快照，處理2500萬gas：14.3秒

“柏林”前，有快照，處理2500萬gas：1.5秒

“柏林”后，沒有快照，處理2500萬gas：約3.1秒

“柏林”后，有快照，處理2500萬gas：約0.3秒

這個的數字表明，“柏林”升級使攻擊的效率降低了5倍，而快照使之降低了10倍，最終使其影響降低了50倍。

我們估計，在當前的主網上，不使用?快照的geth節點可能可以做到只需2.5~3秒就能執行一個區塊。隨著狀態的增長，這個數字會繼續惡化。

如果gas返還機制被用來造成單個區塊的實際gas使用量提升，這個惡化的倍數是2倍。在EIP-1559實施后，區塊的GasLimit會有更高的彈性，在短時間內可爆發出最大2倍的惡化乘數。

至于實施這種攻擊的可行性，攻擊者買斷一個區塊的成本大概在幾個ETH這樣的級別。

為何要在此時公開

這一威脅在很長時間里都是“公開的秘密”——因為疏忽，它至少被公開披露過一次；而且在核心開發者會議中也多次提到它，雖然沒有公開細節。

因為我們已經激活了“柏林”升級，也因為geth客戶端已經默認使用快照功能，我們認為，威脅已經足夠低，而透明化才是更重要的了。所以是時候把幕后的工作都公開了。

重要的是，社區得到了一次理解和思考這些影響用戶體驗的變更的機會。

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