[논문 리뷰] An Adaptive Gas Cost Mechanism for Ethereum to Defend Against Under-Priced DoS Attacks

Ting Chen, Xiaoqi Li외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 18.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 15인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 실행 빈도에 따라 비용을 동적으로 조정하는 적응형 가스 비용 메커니즘을 제안하여 기존의 알려진 및 알려지지 않은 저가의 DoS 공격으로부터 보호한다. 실행 환경에서 EVM 자원 소비를 측정하기 위한 에뮬레이션 기반 프레임워크와 런타임 동안 매개변수를 업데이트할 수 있도록 해주는 특수 스마트 컨트랙트를 활용함으로써, 정상 사용자에게 거의 영향을 주지 않으면서도 DoS 위협을 효과적으로 완화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이더리움의 현재 고정된 가스 비용 설정이 알려진 및 알려지지 않은 DoS 공격 모두에 대해 충분한 방어력을 갖추고 있는지 조사한다.
• evolving EVM 워크로드와 자원 소비 패턴에 대비하여 정적 가스 비용 할당의 한계를 규명한다.
• 이상적인 실행 빈도에 대응하여 비용을 자동으로 조정할 수 있는 유연하고 안전하며 효율적인 메커니즘을 설계한다.
• 이더리움 클라이언트의 빈번한 업그레이드 없이도 동적 매개변수 업데이트를 가능하게 하여 장기적인 유지보수성을 확보한다.
• 실제 조건 하에서 알려진 및 알려지지 않은 DoS 공격에 대한 메커니즘의 효과성을 평가한다.

제안 방법

• 다양한 실행 경로에서 EVM 연산의 실제 자원 소비(프로세서, 메모리)를 자동으로 측정하기 위한 에뮬레이션 기반 프레임워크를 개발한다.
• 프레임워크를 사용해 이더리움의 현재 가스 비용 설정을 분석하여, 최근 조정에도 불구하고 여전히 전체 DoS 보호를 위해 충분하지 않음을 밝혀낸다.
• 정상 빈도보다 훨씬 높은 빈도로 실행되는 연산의 비용을 증가시켜 공격자를 억제하는 동적 가스 비용 메커니즘을 제안한다.
• 패ッチ가 적용된 EVM과 협업하는 특수 스마트 컨트랙트를 도입하여, 이더리움 클라이언트 업데이트 없이도 안전하고 민감하게 비용 조정 매개변수를 업데이트할 수 있도록 한다.
• 이상 실행 패턴을 탐지하고 잠재적 DoS 시도를 경고하기 위해 통계 분석(평균 및 표준편차)을 활용한 슬라이딩 윈도우 메커니즘을 활용한다.
• 악성 트랜잭션을 차단하기 위해 송신자 주소, 함수 호출 및 실행 추적 정보를 필터링하여 매개변수 조작을 방지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이더리움의 현재 고정된 가스 비용 설정은 알려진 및 알려지지 않은 DoS 공격에 대해 내성적으로 견딜 수 있는가?
• RQ2 실행 빈도에 따라 적응하는 동적 가스 비용 메커니즘이 저가의 DoS 공격을 효과적으로 방지할 수 있는가?
• RQ3 빈번한 이더리움 클라이언트 업데이트 없이도 가스 비용 조정 메커니즘을 안전하고 민감하게 유지할 수 있는가?
• RQ4 제안된 메커니즘이 정상(벤니gn) 트랜잭션에 대해 어떤 성능 오버헤드를 유발하는가?
• RQ5 통계적 이상 탐지 기반으로 슬라이딩 윈도우에서의 실행 빈도 분석을 통해 DoS 공격을 신속하고 정확하게 탐지하고 대응할 수 있는가?

주요 결과

• 에뮬레이션 프레임워크 분석 결과, 최근 조정에도 불구하고 이더리움의 현재 가스 비용 설정은 자원 소비가 낮은 연산으로 인해 DoS 공격에 대한 방어가 부족함을 드러냈다.
• 연구 결과, 자원 소비 패턴과 시스템 워크로드가 시간이 지남에 따라 변화하기 때문에 정적 가격 설정은 본질적으로 취약하며, 정적 가격 설정은 충분하지 않다는 것이 확인되었다.
• 제안된 적응형 가스 비용 메커니즘은 과도하게 사용되는 연산의 비용을 증가시켜 알려진 및 알려지지 않은 DoS 공격을 효과적으로 완화하였다.
• 이 메커니즘은 다양한 매개변수 설정 하에서 정상 사용자에게서 0.1% 미만의 추가 가스 소비만을 유발하여 최소한의 성능 영향을 미쳤다.
• 클라이언트 업데이트 없이도 동적 매개변수 업데이트를 가능하게 하는 스마트 컨트랙트의 활용은 안전하고 민감한 설정 변경을 가능하게 하였다.
• 슬라이딩 윈도우에서 실행 빈도의 통계 분석 기반 탐지 메커니즘은 DoS 공격을 신속하게 탐지하고 조작 시도에 저항할 수 있었다.