[論文レビュー] Profitable Double-Spending Attacks

Jaehyuk Jang, Heung-No Lee|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 24被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、ネットワークの計算能力の50%未塔の計算能力を用いても、ブロックチェーンにおける二重支出（DS）攻撃の収益性を分析するための新しい確率的フレームワークを導入する。有限時間内での攻撃成功確率モデルを導出し、著者らは、いかなるハッシュレート比においてもDS攻撃が収益を上げられることを証明した。これは、攻撃が経済的に実行可能であるための必要十分条件を確立したものであり、驚くべきことに、50%未塔の攻撃者ですら、取引サイズとネットワークパラメータが整合すれば利益を上げられる可能性がある。

ABSTRACT

Our aim in this paper is to investigate the profitability of double-spending (DS) attacks that manipulate an a priori mined transaction in a blockchain. It was well understood that a successful DS attack is established when the proportion of computing power an attacker possesses is higher than that the honest network does. What is not yet well understood is how threatening a DS attack with less than 50% computing power used can be. Namely, DS attacks at any proportion can be of a threat as long as the chance to making a good profit exists. Profit is obtained when the revenue from making a successful DS attack is greater than the cost of carrying out one. We have developed a novel probability theory for calculating a finite time attack probability. This can be used to size up attack resources needed to obtain the profit. The results enable us to derive a sufficient and necessary condition on the value of a transaction targeted by a DS attack. Our result is quite surprising: we theoretically show that DS attacks at any proportion of computing power can be made profitable. Given one's transaction size, the results can also be used to assess the risk of a DS attack. An example of the attack resources is provided for the BitcoinCash network.

研究の動機と目的

• 攻撃者がネットワークの計算能力の50%未塔を保有する場合の二重支出攻撃の収益性を調査すること。
• 攻撃コストと収益の両方を考慮した上で、そのような攻撃が純利益を生む条件を同定すること。
• 与えられた時間窓内での成功した二重支出の確率を正確に推定できる有限時間確率モデルを構築すること。
• いかなる攻撃者のハッシュレート比に対しても、収益性を実現するための取引価値に関する必要十分条件を導出すること。
• ビットコインキャッシュネットワークを事例として、攻撃の実現可能性と必要なリソースを実用的に評価すること。

提案手法

• 著者らは、ブロックマイニングのダイナミクスと時間制約を考慮した、有限時間内での攻撃成功確率を計算するための新しい確率論を構築した。
• 攻撃者のマイニングプロセスを、攻撃者チェーンと誠実なネットワークチェーンの間の確率的レースとしてモデル化し、負の二項分布およびポアソン過程を用いた。
• 攻撃成功確率の計算には、取引の確認深度と攻撃者の相対的ハッシュレートを組み込み、所定の時間内に追いつく確率を算出した。
• 攻撃チェーンをマイニングするための計算コストと、成功した二重支出による期待収益を比較することで、コスト・ベネフィット分析を実施した。
• このフレームワークにより、任意の攻撃者のハッシュレートに対して収益性をもたらす閾値取引価値を導出可能となった。
• 再現性と実用的応用性を確保するため、MATLABコードを提供した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 攻撃者がネットワークの計算能力の50%未塔を保有している場合、二重支出攻撃は収益を上げられるか？
• RQ2 与えられた攻撃者のハッシュレートにおいて、純利益を生むために必要な最小の取引価値は何か？
• RQ3 有限時間内での二重支出攻撃の成功確率は、攻撃者の相対的ハッシュレートと確認深度にどのように依存するか？
• RQ4 所定の取引サイズに対して、望ましい成功確率を達成するための必要な攻撃リソース（例：マイニングパワー、時間）は何か？
• RQ5 実世界のブロックチェーンシステム（例：ビットコインキャッシュ）において、二重支出攻撃の収益性はどのように評価できるか？

主な発見

• 本稿は理論的に、50%未塔の計算能力を持つ攻撃者に対しても、導出された閾値を超える取引価値があれば、二重支出攻撃が収益を上げられることを証明した。
• 収益性を保証するための取引価値に関する必要十分条件が導出され、攻撃者のハッシュレートと確認深度に依存する。
• 有限時間内での攻撃成功確率モデルにより、所定の時間窓内での攻撃成功確率を正確に推定可能となり、従来の漸近的近似手法を凌駕する。
• ビットコインキャッシュネットワークにおいて、あるサイズの取引に対して90%の成功確率を達成するための具体的な攻撃リソース例が提示された。
• 取引価値がマイニングコストに対して十分に高い場合、低ハッシュレート攻撃者に対しても収益性のある攻撃が可能であることが示された。
• 本フレームワークは、収益性が計算能力の優位性にのみ依存するのではなく、取引サイズと確認時間の両方にも依存することを示した。