以太坊:拆解以太坊狀態（State）問題：一個鮮為人知的嚴重威脅

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。

報告：CME的6月份比特幣期貨交易量創下歷史新高:金色財經報道，根據CCData的數據，芝加哥商品交易所(CME)的6月份比特幣期貨交易量創下歷史新高，增長28.6%，達到379億美元。比特幣微型期貨(MBT)也實現了兩位數的增長，交易價格達到7.02億美元，增長了21.1%。這些合同規模較小，通常價值僅為標準合同的十分之一。在CME的比特幣期貨案例中，這一比例為1/50。

報告指出，BTC合約交易總量為264,323份，較上月增長22.7%。[2023/7/6 22:20:27]

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。

數據：Avalanche子網數量已增至68個:5月30日消息，自2022年3月Avalanche Multiverse推出以來，Avalanche子網創建量大幅激增，截至5月10日共創建了58個子網。在58個子網中，23個（40%）目前至少有一個驗證者在運行，而其余35個（60%）已經停止運行。在鏈上數據可用的11個子網中，有6個（10%）表現出大量的交易和活躍地址。

目前，共有1783個子網已部署并正在Fuji Testnet上進行測試。在Fuji Testnet上部署的子網中，有 395個（22%）有驗證器，展示了子網部署過程中的進展和參與。[2023/5/30 11:48:42]

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。

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。

觀點：比特幣永續合約資金費率連續10天為正反映出投資者的樂觀情緒:金色財經報道，資金費率代表永續期貨合約持有人之間的費用支付，當利率為正時，多頭頭寸持有人向空頭頭寸持有人支付費用，以保持交易的對手盤。當資金費率為負時，情況正好相反，空頭支付多頭。數據顯示，就比特幣而言，自1月14日以來，除2月12日的數值為中性外，每天的資金費率都為正。持有多頭頭寸的投資者預計資產價值會增加，而空頭投資者預計資產價值會下降。持續的正資金費率表明BTC交易員目前看好該資產，并愿意支付費用來表達他們的看漲情緒。[2023/2/24 12:27:10]

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10Mgas時執行的數量：

使用EXTCODEHASH?發動10Mgas攻擊

Mt.Gox新提供可選償付方案，債權人可在1月10日前選擇:1月4日消息，據Mt.Gox（門頭溝）債權人表示，Mt.Gox最新提供的償付方案（Rehabilitation Plan）包括基礎償付(Base Repayment)部分和比例償付(Proportional Repayment)部分，其中基礎償付部分的金額一致，比例償付部分為債權人提供2種選擇，即中期還款和終期還款或早期一次總付還款。截止日本時間1月10日之前，債權人仍可變更方案選擇。[2023/1/4 9:52:01]

Parity:?~90sGeth:?~70s使用EXTCODESIZE?發動10Mgas攻擊

Parity:?~50sGeth:?~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。

TheBlock研究副總裁：0x40開頭的以太坊地址不是三箭資本的錢包:6月14日消息，TheBlock研究副總裁Larry Cermak發推稱：“Nansen移除了地址0x4093fbe60ab50ab79a5bd32fa2adec255372f80e的Three Arrows Capital標記，我幾乎可以肯定這不是他們的錢包。

注：該地址有21.2萬枚ETH質押在Aave，清算線在1020美元左右。”[2022/6/15 4:29:36]

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。

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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