[論文レビュー] On the Feasibility of Sybil Attacks in Shard-Based Permissionless Blockchains

Tayebeh Rajab, Mohammad Hossein Manshaei+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 27被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、エラスティコを事例として、シャーディングベースの許可なしブロックチェーンにおけるSybil攻撃の可能性を分析している。攻撃の2種類のタイプ—コンSENSUSプロトコル破壊（BCP）と偽の取引生成（GFT）—をモデル化し、シャーディング数、容量、攻撃者によるハッシュパワーなどのネットワークパラメータに基づいて攻撃成功確率を解析的に導出している。主な発見は、エラスティコはネットワーク全体のハッシュパワーのわずか25％でSybil攻撃に対して脆弱であるということである。

ABSTRACT

Bitcoin's single leader consensus protocol (Nakamoto consensus) suffers from significant transaction throughput and network scalability issues due to the computational requirements of it Proof-of-Work (PoW) based leader selection strategy. To overcome this, committee-based approaches (e.g., Elastico) that partition the outstanding transaction set into shards and (randomly) select multiple committees to process these transactions in parallel have been proposed and have become very popular. However, by design these committee or shard-based blockchain solutions are easily vulnerable to the Sybil attacks, where an adversary can easily compromise/manipulate the consensus protocol if it has enough computational power to generate multiple Sybil committee members (by generating multiple valid node identifiers). Despite the straightforward nature of these attacks, they have not been systematically analyzed. In this paper, we fill this research gap by modelling and analyzing Sybil attacks in a representative and popular shard-based protocol called Elastico. We show that the PoW technique used for identifier or ID generation in the initial phase of the protocol is vulnerable to Sybil attacks, and a node with high hash-power can generate enough Sybil IDs to successfully compromise Elastico. We analytically derive conditions for two different categories of Sybil attacks and perform numerical simulations to validate our theoretical results under different network and protocol parameters.

研究の動機と目的

• シャーディングベースの許可なしブロックチェーン、特にエラスティコがSybil攻撃に対してどれほど脆弱であるかを調査すること。
• BCP（シャーディング内コンセンサスを破壊する）とGFT（最終ブロックに不正な取引を挿入する）の2種類のSybil攻撃をモデル化・定量すること。
• シャーディング数、シャーディング容量、攻撃者ハッシュパワーなどのシステムパラメータが攻撃成功確率に与える影響を分析すること。
• さまざまなネットワークおよびプロトコル設定下で理論的モデルを数値シミュレーションにより検証すること。
• シャーディングベースのブロックチェーンシステムにおけるSybil攻撃の緩和に向けた設計指針を提供すること。

提案手法

• Sybilノードの攻撃表面として、エラスティコのPoWベースのID生成メカニズムをモデル化する。
• 2つの攻撃カテゴリを定義する：BCP（シャーディング内で過半数を制御することでコンセンサスを破壊する）とGFT（最終ブロックに不正な取引を注入する）。
• 超幾何分布および二項尾確率の不等式を用いて、BCPおよびGFT攻撃の成功確率に関する解析的式を導出する。
• 数値シミュレーションを用いて、シャーディング数、容量、攻撃者ハッシュパワーのさまざまな設定下で理論的攻撃確率モデルの妥当性を検証する。
• 現実的な仮定に基づいて、各シャーディングごとの悪意あるノード分布の上限を適用し、攻撃の実現可能性を推定する。
• シャーディング数（最大16）、シャーディング容量（≥600）、攻撃者ハッシュパワー（25％～66％）などのシステムパラメータが攻撃成功確率に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エラスティコにおいて、Sybil攻撃者が1つのシャーディング内でコンセンサスを破壊する確率（BCP攻撃）はどの程度か？
• RQ2 エラスティコにおいて、Sybil攻撃者が最終ブロックに偽の取引を挿入する確率（GFT攻撃）はどの程度か？
• RQ3 シャーディング数、シャーディング容量、攻撃者ハッシュパワーなどのシステムパラメータが、Sybil攻撃の成功確率にどのように影響するか？
• RQ4 理論的攻撃確率モデルは、現実的なネットワーク条件下で数値シミュレーションによって検証可能か？
• RQ5 どのような条件下で、シャーディングベースの許可なしブロックチェーンにおけるSybil攻撃は効果的に緩和可能か？

主な発見

• 攻撃者がネットワーク全体の25％のハッシュパワーを保持している場合、少なくとも1つのシャーディングでコンセンサスを破壊する確率は0.2に達する。
• 攻撃者が33％～53％のハッシュパワーを保持している場合、BCP攻撃の成功確率は0.8を超える。
• GFT攻撃に関しては、ネットワークに16シャーディング以下であり、各シャーディングの容量が600以上であれば、成功確率は0.001未満に低下する。
• 攻撃者が56％を超えるハッシュパワーを保持している場合、BCP攻撃の成功確率は100％に達し、最適な設定下ではGFT攻撃の成功確率は0.001未満に保たれる。
• 攻撃者が66％を超えるハッシュパワーを保持している場合、BCP攻撃の成功確率は1に達し、GFT攻撃の成功確率は0.75を超える。
• 結果から、エラスティコは中程度から高い攻撃者ハッシュパワー下でSybil攻撃に対して耐性がなく、特にシャーディング数が少なく、容量が小さい場合には顕著であることが示された。