[論文レビュー] The Balance Attack Against Proof-Of-Work Blockchains: The R3 Testbed as an Example

Christopher Natoli, Vincent Gramoli|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2016

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 18被引用数 74

ひとこと要約

本論文は、イーサリアムのようなプルーフ・オブ・ワークブロックチェーンを標的とする、バランス攻撃を紹介する。この攻撃は、同等のマイニングパワーを持つサブグループ間のネットワーク遅延を悪用するもので、マイニングパワーが最小限（例：1台のマシン）の攻撃者が、ネットワークを隔離することで、ゴースト共識プロトコルを操作し、取引の二重支出を可能にする。R3に類似したテストベッド環境において、20分間の攻撃ウィンドウが確認された。

ABSTRACT

In this paper, we identify a new form of attack, called the Balance attack, against proof-of-work blockchain systems. The novelty of this attack consists of delaying network communications between multiple subgroups of nodes with balanced mining power. Our theoretical analysis captures the precise tradeoff between the network delay and the mining power of the attacker needed to double spend in Ethereum with high probability. We quantify our probabilistic analysis with statistics taken from the R3 consortium, and show that a single machine needs 20 minutes to attack the consortium. Finally, we run an Ethereum private chain in a distributed system with similar settings as R3 to demonstrate the feasibility of the approach, and discuss the application of the Balance attack to Bitcoin. Our results clearly confirm that main proof-of-work blockchain protocols can be badly suited for consortium blockchains.

研究の動機と目的

• プルーフ・オブ・ワークブロックチェーン、特にイーサリアムにおいて、共同事業環境に導入された場合に生じる新たな脆弱性を同定すること。
• 低マイニングパワーであっても、ネットワーク遅延を活用することでゴースト共識プロトコルのセキュリティを脅かすメカニズムを分析すること。
• R3共同事業のテストベッドから得たデータを用いて、実世界に類似した環境におけるこの攻撃の実現可能性を評価すること。
• この攻撃ベクトルにより、プルーフ・オブ・ワーク共識がプライベート共同事業ブロックチェーンには不適切であることを実証すること。
• ビットコインとイーサリアムに対するバランス攻撃の有効性を比較し、ゴーストプロトコルが攻撃を可能にする役割を強調すること。

提案手法

• 攻撃者は、バランスの取れたマイニングパワーを持つ2つのノードサブグループを隔離し、それらの間の通信を遅延させる。
• 攻撃者は1つのサブグループ（ブロックサブグループ）でブロックをマイニングしながら、別のサブグループ（トランザクションサブグループ）で取引を発行し、ゴーストプロトコルのアンクルブロック重み付けを悪用する。
• 理論的分析では、チェルノフ不等式を用いて、遅延とマイニングパワーの変動条件下で攻撃者のブランチがトランザクションサブグループのブランチを上回る確率をモデル化する。
• Emulabを用いた分散テストベッドで攻撃をエミュレートし、15台の仮想マシンとns-2ネットワークエミュレーションを用いて、R3のグローバルかつ低遅延環境を再現する。
• R3共同事業から得た統計データを用いてモデルをキャリブレーションし、現実的な遅延とマイニングパワーのトレードオフを推定する。
• 攻撃の成功は、高い確率での二重支出に至るまでの時間を測定することで評価され、実験実行によって検証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低マイニングパワーを持つ攻撃者が、バランスの取れたマイニングサブグループ間のネットワーク遅延を操作することで、イーサリアムの共識を破壊可能か？
• RQ2 イーサリアムのゴーストプロトコルを用いた二重支出を成功させるために、ネットワーク遅延とマイニングパワーの正確なトレードオフは何か？
• RQ3 バランス攻撃は、ビットコインおよびイーサリアムにおける従来の二重支出攻撃と比較して、実現可能性と有効性においてどのように異なるか？
• RQ4 ゴーストプロトコルがアンクルブロックをどのように処理するかが、プライベート共同事業環境における遅延ベース攻撃に対してイーサリアムをどれほど脆弱にするか？
• RQ5 このような遅延ベース攻撃が最小限のリソースで可能である場合、プルーフ・オブ・ワーク共識は共同事業ブロックチェーンで実用可能か？

主な発見

• バランス攻撃は、わずか1台のマシンと低マイニングパワーで、バランスの取れたサブグループ間のネットワーク遅延を悪用することで、二重支出を可能にする。
• R3テストベッド環境では、攻撃が約20分で成功することが確認され、高い実用的妥当性を示している。
• 理論的分析により、明確なトレードオフが確認された：ネットワーク遅延が高くなるほど、攻撃成功に必要なマイニングパワーが低下する。
• ゴーストプロトコルは無駄なブロックを軽減するが、アンクルブロックの重み付けのため、攻撃者が戦略的な遅延を用いることでこの攻撃を防げない。
• プライベートで低遅延の共同事業ブロックチェーン（例：イーサリアムのR3導入）では、この攻撃が公的ブロックチェーンよりも効果的である。
• 結果から、プルーフ・オブ・ワーク共識が共同事業ブロックチェーンには不適切であることが確認され、ビザンチン障害耐性（BFT）プロトコルがより適切で安全であることが示された。