[論文レビュー] An Adaptive Gas Cost Mechanism for Ethereum to Defend Against Under-Priced DoS Attacks

Ting Chen, Xiaoqi Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 15被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、実行頻度に基づいて操作コストを動的に調整する、イーサリアム向けの適応的ガスコストメカニズムを提案する。このメカニズムは、既知および未知の低コストDoS攻撃の両方に対して防御する。EVMリソース消費を測定するエミュレーションベースのフレームワークと、実行時パラメータ更新を可能にする特別なスマートコントラクトを用いることで、正当なユーザーに対するオーバーヘッドを最小限に抑えつつ、DoS脅威を効果的に緩和する。

ABSTRACT

The gas mechanism in Ethereum charges the execution of every operation to ensure that smart contracts running in EVM (Ethereum Virtual Machine) will be eventually terminated. Failing to properly set the gas costs of EVM operations allows attackers to launch DoS attacks on Ethereum. Although Ethereum recently adjusted the gas costs of EVM operations to defend against known DoS attacks, it remains unknown whether the new setting is proper and how to configure it to defend against unknown DoS attacks. In this paper, we make the first step to address this challenging issue by first proposing an emulation-based framework to automatically measure the resource consumptions of EVM operations. The results reveal that Ethereum's new setting is still not proper. Moreover, we obtain an insight that there may always exist exploitable under-priced operations if the cost is fixed. Hence, we propose a novel gas cost mechanism, which dynamically adjusts the costs of EVM operations according to the number of executions, to thwart DoS attacks. This method punishes the operations that are executed much more frequently than before and lead to high gas costs. To make our solution flexible and secure and avoid frequent update of Ethereum client, we design a special smart contract that collaborates with the updated EVM for dynamic parameter adjustment. Experimental results demonstrate that our method can effectively thwart both known and unknown DoS attacks with flexible parameter settings. Moreover, our method only introduces negligible additional gas consumption for benign users.

研究の動機と目的

• イーサリアムの現在の固定ガスコスト設定が、既知および未知のDoS攻撃の両方に対して十分に防御できるかどうかを調査すること。
• 進化するEVMワークロードおよびリソース消費パターンの前において、静的ガスコスト割り当ての限界を特定すること。
• 異常な実行頻度に応じてガスコストを適応的に調整できる、柔軟で安全かつ効率的なメカニズムを設計すること。
• 頻繁なイーサリアムクライアントのアップグレードを必要とせず、長期的な保守性を確保するための動的パラメータ更新を可能にすること。
• 現実的な条件下で、既知および未知のDoS攻撃に対するメカニズムの有効性を評価すること。

提案手法

• EVM操作の多様な実行パスにおける実際のリソース消費（CPU、メモリ）を自動測定するエミュレーションベースのフレームワークを開発する。
• フレームワークを用いてイーサリアムの現在のガスコスト設定を分析し、最近の調整でさえも完全なDoS保護には不十分であることが判明した。
• 通常よりも著しく頻繁に実行される操作のコストを増加させる動的ガスコストメカニズムを提案する。これにより攻撃者が抑止される。
• パッチを施したEVMと連携する特別なスマートコントラクトを導入し、イーサリアムクライアントのアップグレードを必要とせずに、安全かつ柔軟にコスト調整パラメータを更新可能にする。
• スライディングウィンドウと統計解析（平均値および標準偏差）を用いて、異常な実行パターンを検出し、潜在的なDoS攻撃を特定する。
• 送信者アドレス、関数呼び出し、実行トレースをフィルタリングすることで、悪意あるトランザクションを防止し、パラメータ改ざんを防ぐ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イーサリアムの現在の固定ガスコスト設定は、既知および未知のDoS攻撃に対して耐性があるか？
• RQ2 実行頻度に応じて適応的に調整される動的ガスコストメカニズムは、低コストDoS攻撃を効果的に防止できるか？
• RQ3 頻繁なイーサリアムクライアントのアップグレードを必要とせずに、ガスコスト調整メカニズムを安全かつ柔軟に実装できるか？
• RQ4 正当な（良性な）トランザクションにおける、提案されたメカニズムのパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ5 統計的異常検出を用いて、スライディングウィンドウにおける実行頻度の分析により、DoS攻撃を迅速かつ正確に検出・対応できるか？

主な発見

• エミュレーションフレームワークにより、最近の調整がなされた後でさえも、イーサリアムの現在のガスコスト設定は、低コスト操作の存在によりDoS攻撃に対する防御が不十分であることが判明した。
• 研究では、リソース消費パターンやシステムワークロードが時間経過とともに変化するため、固定ガスコストは本質的に脆弱であることが判明した。静的価格設定では不十分である。
• 提案された適応的ガスコストメカニズムは、過剰に使用される操作のコストを引き上げることで、既知および未知のDoS攻撃を効果的に緩和した。攻撃者は抑止された。
• メカニズムは、さまざまなパラメータ設定において、良性ユーザーに対する追加のガス消費が0.1%未満に抑えられ、パフォーマンスへの影響を最小限に抑えた。
• スマートコントラクトを用いた動的パラメータ更新により、イーサリアムクライアントのアップグレードを必要とせず、安全かつ柔軟な設定変更が可能になった。
• スライディングウィンドウにおける実行頻度の統計解析に基づく検出メカニズムは、DoS攻撃を迅速に特定でき、改ざん試みに対しても耐性を持つ。