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📜 [專欄新文章] EIP2929, EIP2930 簡介
✍️ Anton Cheng
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Opcode 加油Proposal，會不會讓以太坊變更貴呢

昨天在同事的推薦下發現了這個YouTube系列：Peep an EIP，也聽了Vitalik和Martin介紹EIP2929 + 2930的這一期。這兩個EIP都已經被列入下一次的硬分岔(Berlin Hardfork)，所以我就來寫個學習筆記。先打個預防針，本人對EVM可以說是非常不熟，但也希望藉著這個機會逼自己學習，如果有錯誤的話也希望懂的更多的各路大神可以不吝賜教。

Berlin without hardfork. (By Claudio Schwarz on Unsplash)

EIP2929: Gas cost increases for state access opcodes

乍看之下這是一個極為恐怖的Proposal。在Gas已經高到爆炸的2021年，理論上不應該再通過這種「加油」類的方案。不過不用緊張，其實這個EIP真正改變的是第一次access的價格，如果一筆交易內要執行一樣Opcode動作輛次，那麼gas cost 將降低為100。

Increases gas cost for SLOAD, *CALL, BALANCE, EXT* and SELFEDESTRUCT when used for the first time in a transaction.

大家都知道，合約最終會被Compile成一堆Opcode，這些Opcode也是用來計算最終交易手續費的依據：理論上越是花時間的的Opcode，應該要收越高的手續費。

但是一直以來，state access opcode 太便宜都是一個已知的問題：在2016年的上海DOS攻擊中，其中幾個攻擊的手法就是透過惡意交易大量讀取帳戶資訊、大量的創造合約再銷毀，或是不斷用 EXTCODESIZE 來讀合約大小等等，讓Client必須花大量的IO資源處理交易(需要讀寫disk的動作特別慢)，最終使Client程式Crash或是延長出塊時間。儘管大部分的弱點已經透過EIP150中大量提升gas cost獲得改善（還有其後的EIP1884），但在EIP2929中，也引用的這篇Paper的數據：現在replay所有以太坊上的交易，當時那些惡意交易中的worst case還會需要~80秒才能完成。這跟以太坊所定義的13秒出塊時間有著很大的差距，也代表這個潛在的攻擊是可行的。

透過增加這些opcode所需要的gas cost，可以降低每個區塊最大可能的讀取數。以下是偷抄Vitalik PPT 的數據：(12,500,000 為gas limit上限)

Pre-EIP 2929:

BALANCE spam: 12,500,000 / (400 cost + 320 address size + 50 boilerplate) = 16,233 accesses per block

CALL spam: 12,500,000 / (700 + 320 + 50) = 11,682 accesses per block

SLOAD spam: 12,500,000 gas / (800 + 25 boilerplate) = 15,151 accesses per block (but of a smaller tree)

Post-EIP 2929:

BALANCE spam: 12,500,000 / (2,600 + 320 + 50) = 4,280 accesses per block

CALL spam: 12,500,000 / (2,600 + 320 + 50) = 4,280 accesses per block

SLOAD spam: 12,500,000 / (2,100 + 25) = 5,882 accesses per block

說實在的這個數據的解釋也很廢話，就是把Opcode變得用貴，能Spam的數量越少。平均來說Gas cost 變高3倍，所以之前worst case的80秒執行時間可以被下降到大概 ~27秒。

SSTORE changes

在實作層，EVM會維繫一個本筆交易讀取過所有交易的 Set。每次有尚未讀取過的slot時，就會先收取一筆 CLOD_SLOAD_COST (2100) ，然後把這個slot加入這個set中，下次讀寫就會比較便宜。

對於已經讀取過的Slot，再次寫入的Opcode SSTORE 之gas cost為會降低為

5000 — COLD_SLOAD_COST (2100) = 2900

簡單的說，單純只操作一次 SSTORE 的總gas 會維持一樣在 5000 。但如果這個slot是之前有讀過的，則寫入的gas cost就會降低。近一步來說，一個 x += 100 ，其實會變得更便宜:

Pre-EIP-2929: 800 SLOAD + 5000 SSTORE = 5800
Post-EIP-2929: 2100 SLOAD + 2900 warm SSTORE = 5000

其他Side effects

這個改動除了降低了最高能夠spam的次數以外，也降低了以太坊想要做到stateless client，理論上最大的witness 大小。其實這裡的原理跟前面很類似，下圖的表格比較的是目前使用hexary tree所需要的witness大小：若12.5M的區塊全部塞滿該Opcode的witness，理論上最大會佔多少空間。在EIP2929之後由於gas cost增加，就壓縮了最大可能的witness size.

這裡單純只比較增加gas cost後，對於max witness size的影響。影片中有提到其他許多方法旨在減少Witness bytes，包括使用binary tree而不是hexary tree，以及用Code Merklization等等。這些其他方法也能夠降低最後的Max Witness size，但跟這個EIP沒有直接相關。不過可以注意的一點是，這些其他在witness size上面的優化跟 gas cost 所帶來的優化的效果是可以相乘的，例如 SLOAD，更改gas price已經能夠讓max size 縮小2.6倍，若是改用Binary tree可以將 Witness bytes降低到 288 bytes，就會是再3~倍的優化。

對用戶的影響

依照Martin Swende 給出的數據，這個EIP對於一般交易的影響僅有提高0.3~0.4%。理由很簡單，雖然第一次access storage變貴了，但是後面幾次讀寫就會變得便宜。大部分應用的程式邏輯都是類似的幾個變數進行讀寫，因此可能有不少的動作反而會變得更便宜。一個最簡單的例子就是ERC20 Transfer，兩個餘額的 +=和 -= 都會變便宜，所以總共的花費也是變便宜的。

這其中也會對於Solidity的開發pattern有著一定程度的影響，我目前想到的影響可能有兩個：

由於多次的storage access變便宜，永遠cache state variables不再是一個最佳策略。以前我們會盡量想辦法減少寫入state storage的次數，現在可能會基於coding style考量減少一些的memory cache。

之前寫合約都會盡量避免external call，甚至會寫一些一次把所有 variable都回傳回來的笨函示，來避免多次的external calls。這有一部分原因是因為每次external call都會需要使用到 EXTCODESIZE 這個Opcode所以很貴。但如果 EXT 系列的Opcode也變得越call越便宜，那麼這個一次全部call 回來cache 住的pattern也可能改變。

以上兩個想法都還沒有經過實證，如果之後看到更有證據的分析的話，也會來這裡分享。

EIP2930: Optional access lists

EIP2929可能會影響一些鏈上的合約，因為有些合約有hardcode external call的gas 上限。對於這方面的問題，EIP2930提出一個新的交易類型，讓交易中多帶一個access list，即所有這筆交易即將讀寫的storage slot，並且先幫忙付掉第一次讀寫的gas，而真正交易讀寫該storage時，只會被要求付100 gas。

這不但可以避免這次EIP2929帶來的副作用，也可以被使用在其他因為gas price 改變的硬分岔升級而壞掉的合約，例如在EIP1184 增加 SLOAD gas price 時影響到的 Aragon 和Kyber 等等。儘管當時升級前各大專案都有幫助用戶提出migration 方案，但如果有人曾經卡錢在裡面，也可以Follow一下這次柏林Hardfork。

小結

新的一年就用一篇簡單的文章來開頭。最近發現自己以前的學習習慣有點亂無章法，所以新年整理了reading list，逼自己做筆記，順便發想一些想要寫的主題。今年的期許就是學更多Ethereum底層一點的知識，當然還有上層一點Defi的知識。也歡迎大家分享一下自己都是怎麼follow這麼多東西的><

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📜 [專欄新文章] 可升級合約介紹 - 鑽石合約（EIP-2535 Diamond standard）
✍️ Kimi Wu
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Photo by Evie S. on Unsplash

前言

可升級合約簡單來說是透過 proxy contract（代理合約）來達成，藉由代理合約去呼叫欲執行的合約，若要升級，則把代理合約中的指向的地址換為新的合約地址即可。而執行的方式則是透過 delegateCall，但 delegateCall 不會更動目標合約的狀態。所以要怎麼處理變數，就是一門學問了。

舉例來說，contract B 有個變數 uint256 x，初始值為 0， 而 function setX(uint256)，可以改變 x 的值。proxy contract A 使用 delegatecall 呼叫 contract B 的 setX(10)，交易結束後，contract B中的 x 依然還是 0。

OpenZeppelin 提出了三種實作方式，可以做到可升級合約，細節可參考 Proxy Patterns，而最終的實作選用了 Unstructured Storage的這個方式，這種方式對於開發較友善，開發時不需特別處理 state variables（不過升級時就需要特別注意了）。而這篇主要是介紹 Diamond standard，OpenZeppelin 的可升級合約就不多做介紹。

USDC V2 : Upgrading a multi-billion dollar ERC-20 token 詳細地介紹代理合約跟變數儲存之間的關係，不了解升級合約的原理，建議先看看。

鑽石合約

名詞介紹

diamond：合約本體，是一個代理合約，無商業邏輯

facet：延伸的合約（實際商業邏輯實作的合約）

loupe：也是一個 facet，負責查詢的功能。可查詢此 diamond所提供的 facet與facet所提供的函式

diamondCut：一組函式，用來管理（增加/取代/減少）此 diamond合約所支援的功能

Loupe

直接來看 loupe的介面，從宣告就能很清楚暸解 diamond合約的實作方式，loupe宣告了一個結構 Facet，Facet結構包含一個地址及 function selector 陣列，所以我們只需要記錄一個 Facet陣列就可以得知這個 diamond 合約有多少個延伸合約及所支援的功能（loupe只定義結構，而實際變數是存在diamon合約中的）。也就是 diamond合約中只記錄延伸合約的地址及其支援的 function selectors，及少數 diamond合約的管理邏輯，並無商業邏輯，因此可以外掛非常非常多的合約上去（就像一個Hub），也就可以突破一個合約只有２４Ｋ的限制。

// A loupe is a small magnifying glass used to look at diamonds.interface IDiamondLoupe { struct Facet { address facetAddress; bytes4[] functionSelectors; } function facets() external view returns (Facet[] memory facets_); function facetFunctionSelectors(address _facet) external view returns (bytes4[] memory facetFunctionSelectors_); function facetAddresses() external view returns (address[] memory facetAddresses_); function facetAddress(bytes4 _functionSelector) external view returns (address facetAddress_);}

DiamondCut

至於 facet在 diamond合約上的註冊或是修改，就由 diamondCut負責，從以下程式碼可以清楚瞭解其功能（EIP中有規範，每次改變都需要發送DiamondCut事件）

interface IDiamondCut { enum FacetCutAction {Add, Replace, Remove} // Add=0, Replace=1, Remove=2 struct FacetCut { address facetAddress; FacetCutAction action; bytes4[] functionSelectors; } function diamondCut( FacetCut[] calldata _diamondCut, address _init, bytes calldata _calldata ) external; event DiamondCut(FacetCut[] _diamondCut, address _init, bytes _calldata);}

Diamond合約

接下來就是最核心的部分 — diamond本體合約。以下是官方的範例，方法上跟 OpenZeppelin 一樣使用 fallback 函式跟 delegateCall 。

呼叫合約所不支援的函式，就會去執行 fallback 函式，fallback 函式中再透過 delegateCall 呼叫 facet 合約相對應的函式

fallback() external payable { address facet = selectorTofacet[msg.sig]; require(facet != address(0)); // Execute external function from facet using delegatecall and return any value. assembly { calldatacopy(0, 0, calldatasize()) let result := delegatecall(gas(), facet, 0, calldatasize(), 0, 0) returndatacopy(0, 0, returndatasize()) switch result case 0 {revert(0, returndatasize())} default {return (0, returndatasize())} }}

主要的差異在於變數的處理，OpenZepplin 是針對單一合約設計的代理合約（也就是每個合約都有自己的代理合約），所以無法處理單一代理合約儲存多個合約的變數（state variables）的狀況（後有圖例）。先由官方的範例程式來了解是怎麼處理變數的

在官方的範例中，都是以更改合約 owner 為例子

首先看到 DimaondStorage這個結構，結構中的前面三個變數都是在維持 diamond合約的運作（同上面loupe的範例），最後一個變數 contractOwner就是我們商業邏輯中所需的變數。
接著看到 function diamondStorage()，取變數的方式就跟OpenZeppelin 儲存特定變數方式一樣（EIP-1967），是把變數存到一個遠方不會跟其他變數碰撞到的位置，在這裡就是從 DIMOND_STORAGE_POSITION 這個 storage slot 讀取。
在實作上就可以有 LibDiamond1 ，宣告DIMOND_STORAGE_POSITION1=keccak256("diamond.standard.diamond.storage1") ，負責處理另一組的變數。藉由這種方式讓每個 facet合約有屬於自己合約的變數， facet合約間就不會互相影響。而最下方的 setContractOwner 是實際使用的範例。

library LibDiamond {

bytes32 constant DIAMOND_STORAGE_POSITION = keccak256("diamond.standard.diamond.storage");

struct FacetAddressAndSelectorPosition { address facetAddress; uint16 selectorPosition; }

struct DiamondStorage { mapping(bytes4 => FacetAddressAndSelectorPosition) facetAddressAndSelectorPosition; bytes4[] selectors; mapping(bytes4 => bool) supportedInterfaces; // owner of the contract address contractOwner; }

function diamondStorage() internal pure returns (DiamondStorage storage ds) { bytes32 position = DIAMOND_STORAGE_POSITION; assembly { ds.slot := position } }

function setContractOwner(address _newOwner) internal { DiamondStorage storage ds = diamondStorage(); address previousOwner = ds.contractOwner; ds.contractOwner = _newOwner; emit OwnershipTransferred(previousOwner, _newOwner); }

每個 library 處理了一組或多組變數的存取， facet 合約透過 library 對變數做操作。也就是把變數存在diamond主體合約，延伸的 facet合約只處理邏輯，是透過 library 去操作變數。

下面圖中清楚地解釋了 facet合約，function selectors 與變數之間的關係，從最左上這邊有個 facets 的 map，紀錄了哪個 selector 在哪個合約中，例如func1, func2是 FacetA的函式。左下角宣告了變數，每組變數的存取如同上述 library 的方式處理。

https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-2535#diagrams

在 diamond的設計中，每個 facet合約都是獨立的，因此可以重複使用（跟library 的概念一樣）

https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-2535#diagrams

小結

diamond合約使用不同的設計來達成合約的可升級性，藉由這種Hub方式可隨時擴充/移除功能，讓合約不再受限於24KB的限制，此外充分的模組化，讓每次升級的範圍可以很小。最後，因為跟library一樣只處理邏輯，並無狀態儲存，所以可以重複被不同的diamond合約所使用。

雖然又不少好處，也是有些缺點。首先，術語名詞太多，facet, diamondCut, loupe等等（其實還有好幾個，不過沒有介紹到那些部分，所以沒有寫出來）。開發上不直覺，把變數跟邏輯拆開，若要再加上合約之間的繼承關係，容易搞混，不易維護。最後，gas的花費，在函式的讀取、呼叫，變數的存取、傳遞都會有不少的額外支出。Trail of Bits 專欄中有點出更多的缺陷 Good idea, bad design: How the Diamond standard falls short，不過作者也有反擊 Addressing Josselin Feist’s Concern’s of EIP-2535 Diamond Standard，有興趣的讀者可以自行看看、比較。

為了模組化及彈性，diamond合約在設計上有點太複雜（over engineering），會造成可讀性越差（這點也是Vyper誕生的原因之一），而可讀性越差就越容易產生bug、也越不容易抓到bug，而在defi專案中，一個小小的bug通常代表著大筆金額的損失 😱😱😱。

雖然如此，筆者還是覺得很酷，有些設計的思維仍然可以使用在自己的專案

ref:
EIP 2535
Diamond 實作
Addressing Josselin Feist’s Concern’s of EIP-2535 Diamond Standard
OpenZeppelin upgradeable contract

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📜 [專欄新文章] 2019 台北以太坊社群回顧
✍️ Juin Chiu
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很快地，2019 年過去了，台北以太坊社群（TEM）也滿 3 歲了，過去一年，TEM 完成了許多重大的里程碑：

舉辦台灣最大的區塊鏈技術研討會 Crosslink

主持台灣開源界最大的研討會 COSCUP 的區塊鏈議程

參加世界最大的區塊鏈技術研討會 DEVCON

Medium 專欄累積 30+ 篇優質文章

Youtube 頻道累積 50+ 個技術演講

在這篇文章中，我們首先來審視 2019 年以太坊取得重大進展的技術：以太坊2.0與零知識證明，接著再回顧 TEM 於 2019 的優質專欄文章。

*本文由 Juin Chiu 與 Chih-Cheng Liang 共同整理

以太坊重大進展

以太坊2.0的信標鏈

對一般大眾最重要最能吸收的事情大概是 Eth2.0 的信標鏈有測試網路了。透過儀表板網站 www.beaconcha.in 可以看見 Prysmatic Labs 團隊的測試網路的動態。細節很多，但本文就只談這張圖最上面有出現的東西。

在 Eth2.0 沒有挖礦和礦工了，取而代之的是抵押以太幣的驗證者（Validator）來成為資料的寫入者。因此也沒有「區塊時間」這個詞了，新協定以 12 秒為一個「時段」（Slot），信標鏈隨機分配驗證者在指定的時間點產出區塊。在 32 個時段的時間，稱為一個「時期」（Epoch），約 6.4 分鐘，信標鏈會處理驗證者的賞、罰、進、出。在儀表板的左上角可以看到 Epoch 與 Slot 的數字，代表距離最早最古老的區塊多久了。

要怎麼成為驗證者呢？首先要在以太坊 1.0 主網路的抵押合約上，送出一筆交易（在信標鏈測試網路則是送到 Goerli 測試網路）。這筆交易會註冊驗證者的公鑰，並且存入押金（在正式網路是 32 ETH ，測試網路則是 3.2 ETH）。送完之後就排隊等待信標鏈激活驗證者，驗證者就需要開始執行信標鏈分配的任務了。在畫面中間可以看到左邊是 27539 個活躍的驗證者，右邊則是有 4623 個排隊進入的。

在這種基於押金的網路，系統的威脅來自於攻擊者買通大量驗證者，送出矛盾訊息，致使於系統不同節點無法取得共識，鏈資料不可挽回的分叉為兩條。因此系統累積的總押金越多，代表攻擊者成本越高。畫面最右上角左邊即為總押金，右邊為平均一個驗證者的餘額。

假期間和親朋好友一起跑一個驗證者節點，是個活絡氣氛的好活動。要做到這件事，目前 Prysm 客戶端有最友善的介面，請點 連結。程式也用 Docker 包好了，免煩惱安裝。

也記得 Eth2.0 協定有 9 個團隊 用不同程式語言實作。例如：有 Python 語言的客戶端 Trinity ，以及 Rust 語言客戶端 Lighthouse。基本上不用擔心找不到自己喜歡的程式語言的實作。

零知識證明

2019 年，零知識證明的理論與應用也突飛猛進，Kimi Wu 剛好寫了一篇很棒的文獻調查。

前年底提出的 zk rollup，目前由 Matter Labs 在開發，Matter Labs更在上個月（2019/12）發表了 ZK Sync，解決了因為產生證明（proof）而延伸的延遲問題。

此外 Iden3 跟 ConsenSys 也有 zk rollup 的專案。在以太坊研究論壇有基於 zk rollup 的一個提案，是可以達到 匿名性的 zk rollup。

Semaphore是一個基於零知識證明的一個訊號系統，發送者可以不揭露身份的狀況下廣播任何訊息(an arbitrary string)。 Semaphorejs 延續 Semaphore 的核心概念，並將整個概念更加完整化，從前端網頁到後端服務。

這兩年才發表的 zk-STARKs，也在去年年初跟 0x 合作，推出基於 zk-STARKs 的 去中心化交易所。

在技術上，去年下半年有新的論文，使用 DARK compiler 可以讓 SNARKs 達到公開性（Transparent）。還有 MARLIN, SONIC, PLONK 等可通用且可更新的可信設定（trusted setup）。STARKs 的 FRI 驗證方式也默默地跟 SNARKs 做結合。（東西越來越多，根本看不完 QQ）

零知識證明在區塊鏈的重要用途就是「擴展」和「隱私」。技術上的進展，一般可以觀察證明方產出證明的時間、證明的資料大小、驗證方驗證的時間、需不需要可信設定、可信設定有什麼限制、以及抵抗量子電腦的能力。

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總結

2019 是個樸實無華但充實的一年，除了在底層技術方面有所進展，在應用方面，例如去中心化金融（DeFi）與去中心化身份（DID），也逐漸獲得大眾的興趣，期待 2020 年區塊鏈能為這世界帶來更多驚奇！

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