[논문 리뷰] Bitcoin Security under Temporary Dishonest Majority

Georgia Avarikioti, Lukas Kaeppeli외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 01.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 오프라인("수면 중인") 노드와 채굴력에 대한 악성 공격자 제어를 모델링하여 일시적인 위선적 다수 상황에서도 비트코인이 여전히 안전하다는 것을 증명한다. 이는 가라이 등이 제안한 백본 프로토콜 프레임워크를 확장하여 동기화, 유한 지연, 메시지 손실 세 가지 모델을 적용하여, 예상된 정직한 다수 조건 하에서도 보안이 유지됨을 보여주며, 손상된 당사자와 수면 중인 당사자의 비율에 대해 정량적 상한선을 제시한다.

ABSTRACT

We prove Bitcoin is secure under temporary dishonest majority. We assume the adversary can corrupt a specific fraction of parties and also introduce crash failures, i.e., some honest participants are offline during the execution of the protocol. We demand a majority of honest online participants on expectation. We explore three different models and present the requirements for proving Bitcoin's security in all of them: we first examine a synchronous model, then extend to a bounded delay model and last we consider a synchronous model that allows message losses.

연구 동기 및 목표

• 일시적인 위선적 다수 조건에서 비트코인 보안을 공식화하기 위해, 정직한 노드가 오프라인 상태이거나 손상당할 수 있음을 고려한다.
• DoS 공격이나 이클립스 공격로 인한 오프라인("수면 중인") 노드의 동적 위협을 정적 손상 외로 모델링한다.
• 자기 채굴 전략 하에서 악성 공격자가 채굴력을 제어함에 따라 보안과 블록 보상에 어떤 영향을 미치는지 분석한다.
• 네트워크 지연과 메시지 손실이 프로토콜 보안에 미치는 영향, 특히 이클립스 공격 시나리오에서의 영향을 평가한다.
• 일관된 정직한 다수 조건을 가정하는 것에서 벗어나 예상된 정직한 다수 조건 하에서도 보안을 입증한다.

제안 방법

• 가라이 등의 백본 프로토콜 모델에 정직(경계 중인), 손상(악성), 수면 중(오프라인 정직한 노드)의 세 가지 새로운 상태를 추가한다.
• 악성 공격자의 채굴력이 경계 중인 노드 대비 상한선을 정의하는 파라미터 $ c $ 를 도입하여 자기 채굴 전략의 이점을 포괄한다.
• 세 가지 모델을 분석한다: (1) 메시지 손실이 없는 동기화 모델, (2) 유한 지연 모델, (3) 메시지 손실이 있는 동기화 모델로 이클립스 공격을 모델링한다.
• 인터랙티브 Turning 기계(ITM)를 사용하여 프로토콜 실행을 모델링하며, 환경 $\mathcal{Z}$ 가 당사자들을 생성하고 악성 공격자 $\mathcal{A}$ 가 손상된 노드를 제어한다.
• 난수 오라클과 확산 채널에 대한 이상 기능을 도입하여密码학적 및 통신 기초를 모델링한다.
• 기대값 $ E[X_i] $, $ E[X'_i] $, $ E[X^*_i] $ 를 사용하여 수면 중인 당사자와 손상된 당사자의 비율에 대한 상한선을 유도하며, $ \delta $ 는 보안 임계값으로 사용된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정직한 다수가 항상 유지되는 것이 아니라 예상치에 따라 유지될 경우 비트코인이 어떤 조건에서 안전할 수 있는가?
• RQ2 수면 중인 노드(오프라인 정직한 노드)의 존재가 백본 프로토콜의 보안 보장을 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 손상된 당사자와 수면 중인 당사자의 최대 비율은 얼마일 때 비트코인의 보안 성질(체인 성장, 공통 접두사, 체인 품질)이 붕괴되는가?
• RQ4 이클립스 공격에서처럼 메시지 손실이 발생할 경우, 신뢰할 수 있는 통신이 보장되는 모델과 비교해 보안은 어떻게 악화되는가?
• RQ5 악성 공격자의 채굴력 비율 $ c $ 는 자기 채굴 전략 하에서 보안과 보상 분배에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 예상되는 정직한 온라인(경계 중인) 노드의 수가 악성 공격자의 채굴력보다 초과할 경우, 비트코인은 일시적인 위선적 다수 조건에서도 안전하다.
• 메시지 손실이 없는 동기화 모델에서 $ E[X_i] = 0.03 $ 일 때, 수면 중인 당사자의 상한선은 $ s = 0.3 $ 에 도달하며, $ c = 1 $ 일 경우 최대 48.5%의 악성 비율을 허용한다.
• 유한 지연 모델에서 $ \Delta = 10 $ 일 경우, 수면 중인 당사자의 상한선은 $ s = 0.2 $ 로 감소하며, $ \delta = 0.46 $ 로 인해 지연 민감도가 증가한다.
• 메시지 손실 모델에서는 보안 임계값이 더 엄격해진다: $ \delta = 0.075 $ 로, 이는 수면 행동에 대한 내성 능력이 크게 감소했음을 시사한다.
• 노드를 손상시키는 것(채굴력 증가)과 수면 상태로 만들기(이클립스 공격 가능) 사이의 상호 보완적 위협을 모델링하며, 후자가 공격자에게 더 효과적일 수 있음을 보여준다.
• 이전 연구 결과와 일관되며, [4]에서 제시한 49.1%의 악성 공격자 임계값을 재확인하고, $ c = 0.5 $ 가 자기 채굴 이득을 공격자 채굴력의 50% 이내로 제한함을 검증한다.