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。
DeFi信貸協議Concordia獲得400萬美元融資:金色財經報道,多鏈風險和抵押品管理協議Concordia在Tribe Capital和Kraken Ventures領投的一輪融資中籌集了 400 萬美元。其他參與者包括 Cypher Capital 和 Saison Capital。
此次籌款是在本月早些時候該協議在 Aptos 上發布公共測試網之后進行的。主網預計將在未來幾個月內發布,Concordia 將同時在其他鏈上發布。[2023/6/17 21:43:28]
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。
Fusion基金會創始人:目前還聯絡不上Multichain CEO:金色財經報道,Fusion基金會創始人、Anyswap聯合創始人DJ Qian在推特上稱其還聯絡不上Multichain聯合創始人兼CEO Zhao Jun。
此前Multichain公告稱,由于不可抗力,部分跨鏈路由無法使用,恢復服務的時間未知。Multichain將對在此過程中受到影響的用戶進行補償,補償方案將在后續公布。[2023/5/25 10:39:29]
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:
Chainlink質押協議v0.1池社區質押配額已滿,且已向一般用戶開放:12月9日消息,據官方推特,Chainlink質押協議v0.1池的社區質押配額現已達到上限(2250萬枚LINK)。另外,該池已面向一般用戶開放。
此前12月7日消息,Chainlink宣布其質押協議v0.1測試版已上線以太坊主網,計劃于北京時間12月9日1:00全面開放。[2022/12/9 21:33:09]
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
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。
Amber Group完成收購日本加密交易平臺DeCurret,并推出數字資產平臺WhaleFin:9月23日消息,在日本金融服務廳(FSA)注冊的加密資產交換服務提供商DeCurret Inc.今天宣布,在Amber Group完成收購后,其公司名稱已變更為Amber Japan K.K.。根據完成的收購和名稱變更,該公司將在日本推出Amber Group的數字資產平臺WhaleFin。(AMBCrypto)[2022/9/23 7:16:52]
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。
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。
數據:CryptoPunks系列NFT 24小時內交易量漲幅超229%:金色財經報道,據NFTGo.io數據顯示,CryptoPunks系列NFT總市值達21.1億美元,在所有NFT項目總市值排名中位列第1;其24小時交易額為402.84萬美元,增幅達229.85%。截止發稿時,該系列NFT當前地板價為76.8 ETH。[2022/7/13 2:10:31]
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。
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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