概述
5 月 11、12 日连续两天晚上，以太坊共识层短暂异常，imToken 分析该异常主要某几种以太坊共识层客户端节点负载过高，使得 Validator 宕机离线，直接导致 Epoch 投票无法达到 2/3，共识层无法确认最终性，但短时间过后以太坊网络自我恢复正常，imToken 认为这表明以太坊 PoS 共识算法具备韧性和自我修复的能力。
事件及背景
通常情况下，以太坊 PoS 共识网络状态会在 2 个 Epoch 被敲定（Finalized），而上周出现了两次 Epoch 敲定的延迟。
第一次发生在 5 月 11 日，Epoch 的敲定被延迟了 3 个 Epoch，约 20 分钟。
第二次发生在 5 月 12 日，Epoch 的敲定被延迟了 8 个 Epoch，约 51 分钟。
在事件发生期间，以太坊网络仍然持续产生区块并处理交易。然而，由于 Validator（验证节点）的投票率不足，Epoch 无法敲定（即 Epoch 得到以太坊 PoS 网络共识级别安全保证）。Epoch 未能敲定意味着在绝大多数 Validator 作恶并出现分叉的情况下，epcoh 可能被回滚，从而导致交易被回滚。
以太坊信标链验证者数量突破52万，质押总量接近1770万枚ETH:金色财经报道，据以太坊官方网站最新数据显示，以太坊信标链验证者总数量已突破52万，本文撰写时为520,252个。此外，以太坊总质押量达到17,691,212枚ETH，APR为3.7%，按照当前价格计算，质押 ETH 总价值接近300亿美元。[2023/2/18 12:14:20]
实际上，在事件发生的期间，以太坊网络并未出现分叉，而 Validator 也未进行恶意投票，只因大量 Validator 离线导致投票率不足，从而使得 Epoch 在期间无法被敲定。
经过观察，离线的 Validator 出现 CPU 过载的异常情况，被认为是 Validator 离线的直接原因。
在第二次事件中，Epoch 敲定被延迟了 8 个 Epoch，由于敲定延迟大于MIN_EpochS_TO_INACTIVITY_PENALTY (=4) 从而触发了以太坊共识算法 Inactivity leak 的处理机制。
· 惩罚离线的 Validator，削减其质押资金，罚没了约 28 个 ETH。
· 取消 Attestation 的奖励，导致约 50 个 ETH 未被发行。
· 该机制保证在线 Validator 最终能掌握以太坊总质押资金的 ?，从而使得网络状态最终能被敲定
以太坊开发者：以目前以太坊2.0合约质押ETH数量计算，对合并后进行重组攻击需销毁超100亿美元:12月1日消息，以太坊开发者Tim Beiko发文解释Eth1和Eth2合并对以太坊应用层的影响，合并旨在对以太坊为最终用户、智能合约和dapps的运作方式产生最小的影响，但有一些小的变化值得强调。
1. 区块结构：信标链块将包含ExecutionPayloads，它是当前工作证明链上区块的合并后等价物。ExecutionPayloads是与以太坊进行交互的地方。
2. 挖矿和叔块：工作量证明区块头中的几个字段不再使用，被设置为0或者它们的数据结构的等效项。因为权益证明自然不会像工作证明那样生成叔块，叔块的列表将是空的，并且该列表的哈希将成为空列表的RLP编码哈希。
3. BLOCKHASH和DIFFICULTY操作码更改：BLOCKHASH操作码伪随机性将变弱，DIFFICULTY操作码 将被更新并重命名为RANDOM。
4. 平均出块时间：目前约为13秒，合并后降为12秒。
5. 安全头和最终区块：在工作量证明下，有可能进行重组。最终确定的区块是被超过2/3的验证节点接受为规范的区块。要创建冲??突区块，攻击者必须至少销毁总质押的1/3（目前约250万ETH，价值约100亿美元）。安全头区块是在正常网络条件下，期望包含在规范链中的区块。假设网络延迟小于4秒，大多数验证节点都是诚实的，并且没有对分叉选择规则的攻击，安全头将永远不会成为孤块。[2021/12/1 12:43:48]
imToken 的节点服务也侦测到了此次事件，通过实时监控以太坊共识层 Validator 投票的情况，从而在 Epoch 未能正常敲定前，提前预警以太坊共识网络的异常。下图是第一次事件发生时的节点状态。
Reddit利用Arbitrum扩展其基于以太坊的社区积分系统:金色财经报道，Reddit正在与第2层解决方案Arbitrum合作扩展其基于以太坊的社区积分系统。Reddit周四表示，Arbitrum击败了其他21名参赛者，其他被考虑的项目包括Solana、StarkWare和Polygon等。据悉，Reddit的社区积分是ERC-20代币，Reddit用户可以通过发表高质量评论或其他贡献来赚取这些积分，可用于购买专属徽章、自定义表情符号和GIF等。据报道，升级会将Moons和Bricks代币从测试网转移到主要的以太坊区块链，但交易将通过扩容解决方案Arbitrum进行。[2021/7/23 1:10:17]
PoW 机制下，交易的成功是认定交易在多少连续区块后大概率不会被回滚，PoS 则是以 Safe Head 返回的块高作为交易成功的判定。而目前的规范中则是以 Justified Checkpoint 作为 Safe Head 的状态认定，因此以前一 Epoch 的状态来看，可能存在有 6.4 分钟之久的判定延迟，这对用户而言是很糟糕的体验。
imToken 自研的 Safe Head 服务会基于实时的以太坊共识层数据，计算出安全的区块用于交易确认，在保证用户交易安全的前提下，缩短交易确认的时长。正常情况下，imToken 的 Safe Head 算法返回的块高（如上图黄色），会非常贴近最新的区块高度（绿色），从而提高用户体验。
2Miners在以太坊及ETC核心库中发现网络bug漏洞:山寨币矿池2Miners最近发现了一个影响以太坊“epoch switch”的bug漏洞。根据上周的一篇博客文章，epoch是指网络从一组已填满的区块（称为epoch）移动到一个新的未填满的区块集的术语。该漏洞还影响以太经典（ETC）网络。据悉，ETC上即将到来的代号为 Thanos（ECIP-1099）的网络硬分叉升级导致了这次的问题。ECIP-1099提议减少了网络的算力功率。2Miners 发现，当转换到epoch时，矿池并没有验证数据（尽管它是合法的）。2Miners随后发现该漏洞位于用于维护以太坊和ETC的核心库中。
2Miners 表示：“经过深入研究，我们发现许多基于Ethash的加密货币所使用的核心库之一的数学值有些偏差。”该问题可能导致某些节点接受较新的数据到区块链，而另一些节点则不接受，从而造成了可能导致链分裂的潜在严重情况（类似于此前的以太坊网络故障）。开发人员估计这个问题将在1月1日出现在以太坊网络上，但这已经是ETC网络的一个问题。2Miners与ETC开发人员合作于11月6日安装了一个补丁。在以太坊方面，2Miners发布了两个pull请求来缓解这个问题。（Decrypt）[2020/11/13 20:45:24]
原因分析
造成上述事件的直接原因是某几种以太坊共识层客户端节点负载过高，使得 Validator 宕机离线，从而无法正常进行共识投票。经过分析，这些节点负载过高的原因是：
当收到指向陈旧区块的见证（Attestation）时，节点需要重新计算信标链状态以验证这些见证，而该过程需要消耗大量的 CPU 以及内存资源。
声音 | Compound总法律顾问：要求以太坊基金会披露ETH销售状况等于认为ETH是一种证券:Compound总法律顾问Jake Chervinsky发推称：“美国法律要求‘内部人士’公开披露某些证券交易，但不要求披露非证券的大宗商品交易（没有人会这样做）。因此，有关以太坊基金会应该披露其ETH销售的说法，基本上就是认为‘ETH是一种证券’，只不过包装方式不同罢了。”[2019/12/16]
当同时收到大量指向陈旧区块的见证时，节点的 CPU 以及内存资源被耗光，从而导致这些 Validator 宕机离线。
本来此类问题可以通过基于见证指向区块的缓存来解决，然而由于 Validator 的规模增长以及大量此类 attestation 的出现，导致出问题的客户端实现的缓存被击穿，节点不得不消耗大量资源重新计算信标链状态。
共识层客户端 Teku 以及 Prysm 目前推出了 patch 版本以解决该问题。具体而言，patch 版本的客户端实现会过滤掉这些陈旧的见证，即当满足下列条件，忽略该见证：
· 见证指向一个陈旧的 Slot
· 见证指向一个节点从未见过的 Checkpoint
然而，我们仍需持续观察以太坊主网敲定的情况以确认 patch 的有效性。
共识层客户端 Teku 以及 Prysm 的 patch 版本：
· Prysm：v4.0.3-hotfix
· Teku：v23.5.0
以太坊设计优势
在此次事件中，以太坊保证可用性仍持续产生区块并处理交易，而仅推迟 Epoch 敲定的关键在于两点：
1. 以太坊客户端的多样性
2. Gasper 算法的设计
以太坊客户端的多样性
在此次事件中，虽然共识层客户端 Teku 以及 Prysm 的实现出现了问题，但不影响其他共识层客户端的正常运作。像是 Lighthouse 客户端本次并不受影响，由于不同客户端在实现的设计上并不相同，因此仍有 Validator 正常在运作。
以太坊客户端的多样性保证了：即使某些客户端出现问题（甚至导致 Epoch 不能敲定），也不会影响正常的客户端产生区块并处理交易，使得以太坊的可用性得到保持。
以太坊 Gasper 共识算法对可用性的设计
保证以太坊的可用性是以太坊共识算法 Gasper 的设计出发点之一，其把以太坊区块生产与敲定分离。因此，即使区块敲定受阻，区块的产生并不会随之终止。考虑到大部分情况下，区块敲定最终会恢复（产生的区块最终仍会被敲定），那么对用户影响其实会很低。对比其他 BFT 的共识算法：若区块敲定失败，共识节点会停止产出下个区块。从而，导致期间整个区块链不可用，即俗称的「区块链挂了」。
另外，第二次事件还触发到了 Inactivity Leak 的机制，其主要是为了保证以太坊在极端情况（大量 Validator 长时间离线）下仍能重新敲定区块。
经验与启示
以太坊多客户端的挑战
当前，以太坊客户端多样性现状如下图所示：
来源: https://clientdiversity.org/#distribution
可以看到，以太坊客户端多样性仍需继续推广和宣传。可以想象，如果客户端实现足够多样，使得 Prysm 以及 Teku 的占比小于 ?，那么这次事件甚至不会发生（? 客户端正常运作足以敲定 Epoch）。另外，当前执行层的客户端集中在 Geth，占比高达 61%。这实际上存在着潜在风险：如果 Geth 运作不当，以太坊会受到很大的影响。
除了以太坊客户端多样性需要进一步努力外，以太坊客户端切换也是此次事件暴露的一个痛点：当某个客户端实现出问题时，Validator 如何切换到正常的客户端实现之上。此过程涉及：
· 把出问题客户端的 Validation key 安全地迁移到正常的客户端之上
· 由于以太坊共识有 Slash 的规则，需要保证旧客户端与新客户端的行为的一致性而不被 Slash。例如：
o 新旧客户端分别对分叉两侧的 Checkpoint 进行投票，从而被 Slash
o 新旧客户端在同一个 Slot 产出不同的区块，从而被 Slash
以太坊共识的监控
需要类似 Safe Head 类似的服务持续监控以太坊 PoS 网络的实时状态，提前发现并预警该类事件，而非等到 Epoch 无法按预期敲定才得知网络状态异常。相关的最新研究可见此文章。
以太坊共识算法的科普
这次事件暴露了科普以太坊 PoS 共识机制的必要性。在此次事件中，很多用户误以为「以太坊挂了」，从而造成不必要的恐慌。然而，实际上，以太坊网络持续产生区块并处理交易。以太坊共识层和执行层的组合为以太坊交易交易确认带来双重保障，在共识层 Epoch 无法敲定的情况下，执行层的区块处理并不受影响，且 Epoch 敲定的异常状况也在以太坊共识算法中有相应处理设计。面向用户的区块链知识科普仍然是从业者们需要持续努力的方向。
对以太坊应用的启示
虽然以太坊网络足够健壮，但是偶尔的不稳定会对应用有着一定的影响。同时，应用要正确处理这些不稳定的场景。
· Layer1 -> Layer2 的存款时间会变长。Layer2 在 mint 的时候，一个重要前提是需要保证 L1 存款交易不会被回滚。因此，当以太坊网络 Epoch 敲定被推迟的情况下，L1->L2 的存款时间也会相应变长。
· 类似的，交易所也需要防止链上充值交易被回滚的情况，因此其充值时间也会相应变长。
· Oracle 链上报价存在被回滚的风险，因此依赖其的高价值服务要适当暂停。
· 在此次事件中，Uniswap 不显示余额、只能买入不可卖出，而 dYdX 暂停了存款。
总结
在这次事件中，我们可以看到以太坊 PoS 共识算法的韧性与自我修复的能力，也看到客户端很快在发生事故后，即时响应与修正错误。对以太坊整个生态而言，还需在以下方面持续投入：增加客户端多样性，优化对网络状态的实时监控与预警，深度用户教育（不仅面向普通用户，也需面向从业者），生态参与者在网络异常时的紧急预案准备。
参考链接
· Finality issue updates May 2023
· https://twitter.com/robplust/status/1657044364382846978
· https://twitter.com/superphiz/status/1656780594326405121
· https://twitter.com/terencechain/status/1657021042110631936
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