拆解以太坊状态（State）问题：一个鲜为人知的严重威胁

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。

SPACE ID将于6月底开始第二期空投:6月9日消息，Web3 域名和身份平台 SPACE ID 发推称，SPACE ID Voyage Season 2 将于北京时间 6 月 16 日 16:00 截止。第二期空投将于 6 月底开始，有关发布分配与认领细节将很快发布。空投将根据整个第二季度以来所获得的积分和相关的加成分数来计算。同时，关于 TGE 后第一季度（3 月 23 日至 6 月 23 日）ID 代币回购，将在 DAO 治理论坛提交提案草案审核，由 ID 代币持有者投票决定后执行回购。[2023/6/9 21:26:37]

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。

Chris Burniske：已准备好支持垂死的Solana网络:金色财经报道，Ark Invest加密货币部门的前负责人Chris Burniske表示，他已准备好支持垂死的Solana网络，并同意Vitalik Buterin分享的最新话题。此外，就生态系统而言，Dapp建造者在中的应用开发者往往是Web2和Web3的混合体，这意味着他们了解加密货币的后端，但也有能力制作与主流对话的前端--加密货币需要更多这样的东西。

金色财经此前报道，V神表示，希望Solana社区可以有公平的机会成长。[2022/12/30 22:16:37]

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。

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。

比特币全网未确认交易数量为6609笔:金色财经报道，据BTC.com数据显示，目前比特币全网未确认交易数量为6609笔，全网算力为228.00 EH/s，24小时交易速率为2.39交易/s，目前全网难度为35.36T，预测下次难度下调6.5%至33.07 T，距离调整还剩8天12小时。[2022/12/27 22:09:23]

该漏洞的本质是触发随机trie查询。一个非常简单的变体是：

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

Parity:?~90s

Geth:?~70s

使用EXTCODESIZE?发动10Mgas攻击

Parity:?~50s

Geth:?~38s

拥有超8260亿美元市值的18家上市公司在数字资产上投资了约31亿美元:金色财经报道，数字资产对冲基金经理镍数字资产管理公司 (Nickel) 的最新分析显示，18家上市公司拥有超过8260亿美元的市值在数字资产上投资了约31亿美元。在审查的18家上市企业中，美国和加拿大公司11家，欧洲4家，土耳其1家，香港1家，澳大利亚1家。

分析显示，另有 21 家上市公司购买了比特币，但现阶段没有透露其投资组合构成的全部细节。

进一步分析显示，通过各种比特币封闭式信托和交易所交易产品持有价值高达 218 亿美元的比特币。这些投资基金代表他们的客户持有这些配置，包括一系列散户投资者、资产经理，以及越来越多的机构资产配置者。[2022/11/2 12:10:07]

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。

MakerDAO：协议持有的33亿美元USDC和4.99亿美元的USDP分配在PSM储备中:金色财经报道，MakerDAO在社交媒体上称，Maker协议持有的33亿美元USDC和4.99亿美元的USDP分配在PSM储备中。PSM代表Peg稳定性模块。它是Maker协议的一个特殊模块，用于以1:1 的比率快速将Dai兑换成稳定币。

此外，PSM和Maker Vault系统之间还有一个至关重要的区别： 在PSM中，所有稳定的抵押品都分配在同一个地方，称为PSM准备金。Vault的抵押品在用户之间没有分开，它是同一个抵押品包给大家。USDC、USPD和GUSD有PSM部署。这意味着任何人都可以将1000万美元的USDC、USDP或GUSD放入PSM并获得1000万个Dai。PSM在其储备中分配USDC、USDP或GUSD，并铸造相同数量的Dai。[2022/8/31 12:59:01]

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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