这篇文章的目的是正式公开一个对以太坊平台的严重威胁，其危险性清晰而明确，直到 “柏林” 硬分叉才解除。
我们先来了解一些以太坊和 “状态” 的背景知识。
以太坊状态是一棵 帕特里夏-默克尔树（particia-merkle trie，一种兼有前缀树规则的默克尔树）。本文不会深入过多细节，你只要知道，随着状态数量的增长，这个树结构的分支会变得越来越密。以太坊区块链上每多一个账户，这棵树就多一个叶子节点。在树的根节点与叶子节点，是许多所谓的 “中间” 节点。
为了查找某个账户，或者说在这棵庞大的树上找到某片 “叶子”，需要解析 6 ~ 9 个哈希值，从根节点开始，经由中间节点，最终解析到一个能够给予我们所需数据的哈希值。
用大白话来说：无论什么时候要在这棵树上查找某个账户，都要经过 8 ~ 9 次解析操作。每次解析操作都是一次数据库查询，而每一次数据库查询都意味着不确定数量的多次硬盘操作。硬盘操作的次数很难估计，但是因为状态树的 “键（key）” 是密码学哈希值（抗碰撞的），所以这些键都是随机的，这对所有数据库来说都属于最坏的情况。
随着以太坊状态的增加，就有必要提高访问状态树的操作的 Gas 消耗量。早在 2016 年 10 月，我们就曾用 “橘子口哨（Tangerine Whistle）” 分叉（纳入 EIP 150，在区块高度?246 3000?激活）做过这样的事。EIP 150 大幅提高了特定操作的 Gas 消耗量，并引入了一系列的措施来保护网络免于 DoS 攻击；这是在所谓的 “上海攻击” 之后推出的。
Nansen：Gitcoin以52 ETH抛售Quadratic Funding Signature Edition:3月9日消息，据区块链分析公司Nansen披露数据显示，Gitcoin以52 ETH（约合8万美元）的价格抛售NFT：Quadratic Funding Signature Edition 12/12，买家为AQUA.xyz联合创始人@ OhhShiny。
分析显示，Quadratic Funding Open Edition目前已经出现潜在抛售压力，“oxb6c”开头地址已铸造725个NFT（占到总供应量的约8%），目前已在0.32-0.34 ETH价格区间抛售4个NFT，当前持有量为721枚。
此外Nansen数据还显示，当前麻吉大哥黄立成是Quadratic Funding NFT的第二大持有者。[2023/3/9 12:51:39]
另一次这样的 Gas 消耗量提升是在 “伊斯坦布尔” 分叉的时候，在区块高度?906 9000?（2019 年 12 月）激活，引入了 EIP 1884。1884 的内容包括：
SLOAD?操作码的 Gas 消耗量从?200?提高到?800?gas
BALANCE?消耗量从?400?提高到?700?gas （还加入了一个更便宜的?SELFBALANCE?操作码）
EXTCODEHASH?消耗量从?400?提升到?700?gas
在 2019 年 3 月，Martin Swende 测量了 EVM 操作码的性能。这一研究后来导致了 EIP-1884 的创建。在 1884 激活的几个月前，这篇以 “Broken Metre” 为名的论文发表（2019 年 9 月）。
欧洲投资银行发行1亿欧元数字债券:金色财经报道， 法国和卢森堡使用实验性中央银行数字货币（CBDC）结算价值1亿欧元（1.04亿美元）的债券。该试验是法国中央银行为管理去中心化金融的流动性和结算跨境交易而进行的一系列CBDC测试中最新一项试验。
根据官方公告，11月29日，法兰西银行（BanquedeFrance）和卢森堡中央银行（Banquecentraledu Luxem bourg）共同协助欧洲投资银行（EIB）实施Venus Initiative，使用实验性CBDC结算资产。Venus Initiative包括欧洲投资银行根据卢森堡法律发行1亿欧元数字原生债券，并使用代币化的欧元中央银行货币进行结算。欧洲投资银行指定高盛银行欧洲公司、桑坦德银行和法国兴业银行发行和分销数字原生债券。（CoinDesk）[2022/11/30 21:10:42]
两位以太坊安全研究员 —— Hubert Ritzdorf 和 Matthias Egli —— 与这篇论文的作者之一 Daniel Perez 展开了合作，并 “武器化” 了一个漏洞，并提交给了以太坊的 bug 悬赏项目。那是在 2019 年 10 月 4 日。
我们建议你完整地阅读他们提交的报告，写得非常好。
在一个专门讨论跨客户端安全性的频道里，来自 Geth 客户端、Parity 客户端和 Aleth 客户端的开发者被告知了这份报告，就在同一天。
该漏洞的本质是触发随机的树查找。一个非常简单的变体是：
加拿大上市公司CurrencyWorks更名为MetaWorks Platforms, Inc:金色财经报道，加拿大上市公司 CurrencyWorks 已宣布更名为 MetaWorks Platforms, Inc. 并转型定位为提供全方位服务的Web3 区块链平台提供商，包括提供生态系统、技术开发和咨询、以及基础架构和服务，使财富 5000 强品牌能够创建自己的元宇宙计划并从中获利。据此前报道，CurrencyWorks Inc. 旗下 MusicFX 平台推出过首款 NFT 音乐播放器，允许音乐人自行发行 NFT，还能让音乐人可以自行决定 NFT 发行量，NFT 也可以提供给粉丝用于购买歌曲并获得额外福利。（globenewswire ）[2022/9/12 13:24:27]
在他们的报告里，研究员通过?eth_call?RPC 端点对同步到主网的节点执行了这一负载，下面是它们消耗 1000 万 gas 所需的时间。
使用?EXTCOEHASH?（名义 Gas 消耗量是 400）耗尽 1000 万 gas
Parity：约 90 秒
Geth：约 70 秒
使用?EXTCODESIZE?（名义 Gas 消耗量是 700）消耗 1000 万 gas
zkSync桥接存储总价值超过16万枚ETH:金色财经报道，据Dune Analytics数据显示，以太坊 Layer 2 扩容解决方案zkSync跨链桥接存储总价值已超过16万枚ETH，本文撰写时为160,155 ETH，参与桥接交易的用户量为354,726个。[2022/8/18 12:34:37]
Parity：约 50 秒
Geth：约 38 秒
（译者注：此处的意思是，如果一个 1000 万 gas 的区块全用这两个操作码填满，则节点需要这么长时间才能处理完这个区块）
显而易见的是，EIP-1884 确实减少了攻击的效果，但还是远远不够的。
那时候离大阪 Devcon 已经很近了。在 Devcon 期间，关于这一问题的知识在主网的客户端开发者之间传开来。我们也会晤了 Hubert 和 Mathias，还有 Greg Markou（他来自 Chainsafe 团队，一直在做 ETC 的工作）。ETC 区块链的开发者们也收到了这份报告。
随着 2019 年接近尾声，我们发现，这问题比我们之前以为的还要棘手，恶意的事务可能导致出块时间延长到以分钟计。更难办的是，开发者社区已经对 EIP-1884 感到不满，它打破了一些合约，而且用户和矿工都希望提高区块的 Gas Limit。
此外，仅仅两个月之后，到了 2019 年 12 月，Partiy Ethereum 就宣布要退出了，OpenEthereum 项目接管了 Parity 客户端的代码维护工作。
Zilliqa游戏开发团队发布Unity SDK v3.0，以支持链上钱包功能和NFT交易:6月24日消息，Layer1 区块链 Zilliqa 的游戏开发团队发布 Unity SDK v3.0 版本，以支持用户在 Zilliqa 区块链上创建钱包，通过钱包登录游戏以及在游戏内进行 NFT 交易。
据悉，Zilliqa 此前于 4 月份加入区块链游戏联盟（BGA），目的是推动该链的游戏开发和成长。[2022/6/24 1:28:58]
于是大家创建了一个新的客户端协作频道，Geth、Netheremind、OpenEthereum 和 Besu 的开发者继续合作。
我们意识到，只有双管齐下才能解决这个问题。一方面，我们要改进以太坊协议，也就是在协议层解决这个问题；最好是不要打破合约，也不要惩罚 “善意” 的行为，但又能防止攻击。
另一方面，我们可以依靠软件工程，改变客户端内的数据模式和结构。
处理此类攻击的第一个思路是这个。在 2020 年2 月，其正式版本作为 EIP 2583 发布。该提案背后的观念是增加一个惩罚措施，每次树查找导致 miss （“未找到”）时就触发。
不过，Peter 找出了一个绕过它的办法 ——“shielded relay” 攻击 —— 使得本质上惩罚有了一个上限（约为 800）（译者注：此处没有单位，疑为 gas）。
惩罚 miss?方法的问题在于，必须先有查找的过程，然后才能确定要不要实施惩罚。但如果剩余的 gas 已不足于实施惩罚，则（从协议的角度看）一个没有得到充分支付的消耗流程又已经执行了。即使这会导致抛出错误，这些状态读取也可以封装到嵌套调用中，使得外部调用者可以重复执行攻击而不必支付（完整的）惩罚。
因此，这个 EIP 也被抛弃了，我们要寻找更好的替代方案。
Alexey Akhunov 研究了 Oil 的概念 —— 一种次级的 “Gas”，但与 Gas 完全不同的是，它对执行层是不可见的，而且可能导致事务全局回滚（transaction-global revert）。
Martin 提了一个类似的提案，称为 “Karma”，在 2020 年5 月。
虽然这许多方案都有进展，Vitalik Buterin 提议仅仅提高 Gas 消耗量，并维护一个 “访问清单”。在 2020 年 8 月，Martin 和 Vitalik 开始迭代后来成为 EIP-2929 及其同伴 EIP-2930?的想法。
EIP-2929 在根本上解决了许多上面提到的问题。
与 EIP-1884 相反；1884 是无条件提高 Gas 消耗量，但 2929 仅提高访问新对象的 Gas 消耗量。这使得净成本仅增加了不到一个百分点。
同样地，与 EIP-2930 配合后，就不会打破任何合约。
它还可以通过提高 Gas 消耗量来进一步调整（也不会打破合约）
在 2021 年 4 月 14 日，这两个 EIP 都在 “柏林” 分叉时激活。
Peter 尝试用动态的状态快照解决这个问题，时值 2019 年 10 月。
快照是一个次级的数据结构，用来以扁平格式（flat format）存储以太坊状态。快照可在 Geth 节点正常运行期间创建，无需下线专门执行。快照的好处是，它可以作为状态访问的一种加速结构：
不再是执行?O(log N)?次硬盘读取（还要乘以 LevelDB 的开销）来访问一个账户/存储项，快照可以提供直接的，O(1)?级别的访问时间（再乘以 LevelDB 的开销）。
快照还支持以每个条目?O(1)?的复杂度迭代账户和存储项，这使得远程节点可以检索连续的状态数据，比以往便宜非常多。
快照的存在还支持其它更奇怪的用途，比如离线修剪状态树，以及迁移到另一种数据格式。
弊端是，快照等于是完全复制了账户和存储项的未经处理（raw）的数据。若在主网环境中使用，这意味着需要额外 25 GB 的固态硬盘空间。
动态快照的想法从 2019 年中就有了，当时的主要目标是启用 “快照同步”。那时候 Geth 团队还在开发许多 “大项目”：
离线的状态修剪
同态快照 + 快照同步
通过共享状态实现 LES 状态分散
不过，后来他们决定一心一意做快照功能，推迟了其他项目。这些工作为后来的?snap/1?同步算法打下了基础。这一算法已在 2020 年 3 月合并到了代码库中。
有了 “动态快照” 功能，我们就能喘口气了。如果以太坊网络遭到攻击，那会是很痛苦的，但至少，我们能通知用户打开快照功能。生成快照需要花一些时间，而且还没有办法同步快照，但网络至少能继续运行了。
在 2021 年 3 月/4 月，?snap/1?协议已经在 geth 客户端推出，节点能够使用新的、基于快照的算法来同步区块链了。虽然还不是默认的同步模式，这是使快照能不仅作为攻击保护措施，也能显著提高用户体验的一部。
在协议层，“柏林” 升级已于 2021 年 4 月激活。
在我们的 AWS 监控环境中，我们的基准测试结果如下：
“柏林” 前，没有快照，处理 2500 万 gas：14.3 秒
“柏林” 前，有快照，处理 2500 万 gas：1.5 秒
“柏林” 后，没有快照，处理 2500 万 gas：约 3.1 秒
“柏林” 后，有快照，处理 2500 万 gas：约 0.3 秒
这个（粗糙）的数字表明，“柏林” 升级使攻击的效率降低了 5 倍，而快照使之降低了 10 倍，最终使其影响降低了 50 倍。
我们估计，在当前的主网上（区块为 1500 万 gas），不使用?快照的 geth 节点可能可以做到只需 2.5 ~ 3 秒就能执行一个区块。随着状态的增长，这个数字会继续恶化（对于不使用快照的节点来说是如此）。
如果 gas 返还机制被用来造成单个区块的实际 gas 使用量提升，这个恶化的倍数（最大）是 2 倍。在 EIP-1559 实施后，区块的 Gas Limit 会有更高的弹性，在短时间内可爆发出最大 2 倍的恶化乘数。
至于实施这种攻击的可行性，攻击者买断一个区块的成本大概在几个 ETH 这样的级别（1500 万 gas，100 Gwei 的价格，乘出来就是 1.5 ETH）。
这一威胁在很长时间里都是 “公开的秘密” —— 因为疏忽，它至少被公开披露过一次；而且在核心开发者会议中也多次提到它，虽然没有公开细节。
因为我们已经激活了 “柏林” 升级，也因为 geth 客户端已经默认使用快照功能，我们认为，威胁已经足够低，而透明化才是更重要的了。所以是时候把幕后的工作都公开了。
重要的是，社区得到了一次理解和思考这些影响用户体验（这些 EIP 会提高 Gas 消耗量，也会限制返还机制的效果）的变更的机会。
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