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imToken Labs：以太坊网络Finalize延迟事件分析报告

im liz ok token 以太坊
2023-05-16 17:05:24
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原文作者：imToken Labs

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。

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。
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 ⅔，从而使得网络状态最终能被敲定
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。
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。
更多关于 Safe Head 机制的资料：
以太坊：Safe Head 机制介绍（一）
以太坊：Safe Head 机制介绍（二）

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。

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：v 4.0.3-hotfix
Teku：v2 3.5.0

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。

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：

imToken Labs：以太坊网络Finalize延迟事件分析报告

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 ⅓，那么这次事件甚至不会发生（⅔ 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：
新旧客户端分别对分叉两侧的 Checkpoint 进行投票，从而被 Slash
新旧客户端在同一个 Slot 产出不同的区块，从而被 Slash

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。