[논문 리뷰] An Analysis of Attacks on Blockchain Consensus

George Bissias, Brian Neil Levine외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 25.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 1인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 시스템, 특히 비트코인에서 이중지불 공격의 수익성과 성공 확률을 평가하기 위해 새로운 연속시간 경제 모델을 제시한다. 이 모델은 채굴력, 거래 확인 깊이, 위험에 처한 자산, 동시 발생하는 이클립스 공격의 영향을 고려한다. 분석 결과, 거래 보안 수준은 확인 깊이에 따라 로그 형태로 증가하며, 위험에 처한 자산이 100만 BTC를 초과할 경우, 최대 35%의 채굴력을 가진 공격자에 대해서도 55회의 확인으로 보호할 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 블록체인 시스템에서 이중지불 공격에 대한 종합적인 경제 모델이 부족한 점을 보완하기 위해, 기본적인 성공 확률을 넘어서는 분석이 필요하다.
• 공격자의 동기와 비용을 고려하여 실제 세계에서의 거래 보안 수준을 정량화한다.
• 이중지불 공격과 이클립스 공격의 상호작용이 거래 보안에 미치는 영향을 평가한다.
• 상점과 프로토콜 설계자들이 안전한 확인 깊이와 마감 시간을 설정하는 데 실질적인 지침을 제공한다.

제안 방법

• 이중지불 공격의 역학을 분석하기 위해 연속시간 수학 모델을 개발하여 블록체인 채굴 과정을 모델링한다.
• 핵심 변수를 포함한다: 공격자의 채굴력(q), 확인 깊이(z), 위험에 처한 자산(v), 코인베이스 보상.
• 공격자의 수익과 손익분기 조건을 수식을 통해 모델링하며, 작업 증명의 비용과 잠재적 수익을 포함한다.
• 2016년부터의 실제 블록 채굴 데이터를 활용하여 확인 시간과 마감 시간의 실현 가능성을 검증한다.
• 공격자가 블록체인의 한 피어가 볼 수 있는 뷰를 제어하는 방식으로 이중지불 공격과 이클립스 공격의 병합 효과를 모델링한다.
• 그림 3(식 10과 식 22 기반)을 활용해 사용자가 원하는 보안 수준에 따라 z회의 확인 수를 선택할 수 있도록 决책 프레임워크를 구축한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 수준의 채굴력과 확인 깊이를 고려할 때, 이중지불 공격의 경제적 손익분기점은 무엇인가?
• RQ2 이클립스 공격이 존재할 경우, 이중지불 공격의 수익성과 성공률은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 위험에 처한 자산이 최대 100만 BTC일 경우, 최대 35%의 채굴력을 가진 공격자로부터 보호하기 위해 필요한 확인 깊이(z)는 얼마인가?
• RQ4 위험에 처한 자산의 총 가치(거래량)가 이중지불 공격에 대한 거래 보안에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 상점이 확인 마감 시간을 설정할 경우, 특히 이클립스 공격이 존재할 때 공격자의 수익은 어떤 조건에서 감소하는가?

주요 결과

• 한 번의 확인만 요구하는 상점은 위험에 처한 자산의 가치가 100 BTC 이하일 경우, 최대 10%의 채굴력을 가진 공격자로부터 보호받을 수 있다.
• 55회의 확인(약 9시간)으로, 위험에 처한 자산이 100만 BTC(약 7억 달러 상당)에 이르더라도 최대 35%의 채굴력을 가진 공격자로부터 보호받을 수 있다.
• 확인 깊이가 증가할수록 보안 수준이 대체로 로그 형태로 증가한다. 이는 작업 증명 비용이 증가하고 공격자가 얻을 수 있는 잠재적 수익이 증가하기 때문이다.
• 이클립스 공격은 공격자가 채굴력의 35% 미만을 차지하거나 확인 깊이가 10회 이하일 경우에만 공격자의 수익성을 높인다.
• 보수적인 확인 마감 시간(예: d = 10z 분)은 공격자의 수익을 크게 감소시키지만, 실제로는 약 60%의 z블록 시퀀스만 이 마감 시간을 충족하므로, 예비 대책이 필요하다.
• 상점은 거래 확인 이후 z블록 동안 관찰된 최대 거래량을 위험에 처한 자산(v)으로 설정하여 보수적인 보안 수준을 확보해야 한다.