[論文レビュー] An Analysis of Attacks on Blockchain Consensus

George Bissias, Brian Neil Levine+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2016

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 1被引用数 18

ひとこと要約

本稿は、マイニングパワー、取引の確認深度、リスクを負う財の価値、および同時発生するエクリプス攻撃の影響を考慮した、ブロックチェーンシステム、特にビットコインにおける二重支出攻撃の収益性と成功確率を評価する画期的な連続時間経済モデルを提示する。確認深度が増加するにつれ、取引のセキュリティは対数的に向上し、財の価値が100万BTCを超える場合、35％のマイニングパワーを持つ攻撃者に対しても、55回の確認で保護されることが示された。

ABSTRACT

We present and validate a novel mathematical model of the blockchain mining process and use it to conduct an economic evaluation of the double-spend attack, which is fundamental to all blockchain systems. Our analysis focuses on the value of transactions that can be secured under a conventional double-spend attack, both with and without a concurrent eclipse attack. Our model quantifies the importance of several factors that determine the attack's success, including confirmation depth, attacker mining power, and any confirmation deadline set by the merchant. In general, the security of a transaction against a double-spend attack increases roughly logarithmically with the depth of the block, made easier by the increasing sum of coin turned-over (between individuals) in the blocks, but more difficult by the increasing proof of work required. In recent blockchain data, we observed a median block turnover value of 6 BTC. Based on this value, a merchant requiring a single confirmation is protected against only attackers that can increase the current mining power by 1% or less. However, similar analysis shows that a merchant that requires a much longer 72 confirmations (~12 hours) will eliminate all potential profit for any double-spend attacker adding mining power less than 40% of the current mining power.

研究の動機と目的

• ブロックチェーンシステムにおける二重支出攻撃の包括的な経済モデルの欠如、特に基本的な成功確率を超えた分野を解決すること。
• 攻撃者のインcentiveとコストを考慮し、現実世界における取引のセキュリティを定量的に評価すること。
• 二重支出攻撃とエクリプス攻撃の相乗効果が取引セキュリティに与える影響を評価すること。
• 商人やプロトコル設計者に対して、安全な確認深度とデッドラインを設定するための実用的ガイダンスを提供すること。

提案手法

• 二重支出攻撃のダイナミクスを分析するため、ブロックチェーンマイニングプロセスの連続時間数理モデルを構築する。
• 攻撃者のマイニングパワー（q）、確認深度（z）、リスクを負う財の価値（v）、コインベース報酬を含む主要変数を統合する。
• 証明書の作成コストと潜在的収益を含む、攻撃者の利益と損益分岐条件をモデル化する方程式を用いる。
• 2016年から得られた実際のブロックマイニングデータを用いて、確認タイミングとデッドラインの実現可能性を検証する。
• 攻撃者がピアのブロックチェーンビューを制御できる状況をモデル化することで、二重支出攻撃とエクリプス攻撃の併合効果を評価する。
• 図3（式10および式22に基づく）を用いて、望ましいセキュリティレベルに応じてz回の確認を決定する意思決定フレームワークを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるレベルのマイニングパワーと確認深度を想定した場合、二重支出攻撃の経済的損益分岐点は何か？
• RQ2 エクリプス攻撃が二重支出攻撃の収益性と成功確率に与える影響は何か？
• RQ3 リスクを負う財の価値が最大100万BTCに達する状況で、マイニングパワーが35％以下の攻撃者から保護するにはどの程度の確認深度（z）が必要か？
• RQ4 リスクを負う財の総価値（取引量）が、二重支出に対する取引セキュリティにどのように影響するか？
• RQ5 商人が確認デッドラインを設けることで、特にエクリプス攻撃が存在する状況で、攻撃者の利益がどのように低下するか？

主な発見

• 1回の確認を要する商人は、リスクを負う財の価値が100BTC未満であれば、マイニングパワーが10％以下の攻撃者から保護される。
• 55回の確認（約9時間）では、財の価値が100万BTC（約7億ドル相当）に達する場合でも、マイニングパワーが35％以下の攻撃者から保護される。
• 確認深度が増加するにつれ、証明書の作成コストが増加し、攻撃者の潜在的収益も増加するため、取引セキュリティは概ね対数的に向上する。
• エクリプス攻撃は、攻撃者がマイニングパワーの35％未満を占めている場合、または10回未満の確認が要求されている場合にのみ、攻撃者の収益性を向上させる。
• 保守的な確認デッドライン（例：d = 10z分）は攻撃者の利益を顕著に減少させるが、実際にはzブロック列の約60％しかこのようなデッドラインを満たさないため、予備策の必要性が示唆される。
• 商人は、取引の確認後、zブロックの間に観測された最大の取引量をリスクを負う財の価値（v）として設定することで、保守的なセキュリティを確保すべきである。