[논문 리뷰] Double-Spend Counterattacks: Threat of Retaliation in Proof-of-Work Systems

Daniel J. Moroz, Daniel J. Aronoff외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 25.

Taxation and Compliance Studies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 작업량 증명 블록체인에서 이중 지출 공격의 피해자가 유사한 해시레이트를 확보함으로써 반격할 수 있는 메커니즘을 제안한다. 이는 전략적 상황을 '내구 전쟁' 게임으로 전환시키며, 공격 비용이 낮더라도 공격이 발생하지 않는 부분 게임 완전 균형을 보여준다. 이는 더 높은 채굴 비용이나 외부 신뢰를 요구하지 않더라도 보안을 확보할 수 있음을 의미한다.

ABSTRACT

Proof-of-Work mining is intended to provide blockchains with robustness against double-spend attacks. However, an economic analysis that follows from Budish (2018), which considers free entry conditions together with the ability to rent sufficient hashrate to conduct an attack, suggests that the resulting block rewards can make an attack cheap. We formalize a defense to double-spend attacks. We show that when the victim can counterattack in the same way as the attacker, this leads to a variation on the classic game-theoretic War of Attrition model. The threat of this kind of counterattack induces a subgame perfect equilibrium in which no attack occurs in the first place.

연구 동기 및 목표

• 자유 진입과 유동적 해시레이트 시장 조건 하에서 작업량 증명 블록체인에서 51% 이중 지출 공격의 경제적 타당성을 분석하는 것.
• 피해자가 동일한 해시레이트를 확보하여 신뢰할 수 있는 반격을 할 수 있는 방식을 모델링하는 것.
• 공격자와 피해자가 대칭적인 공격 능력을 지닌 '반격 게임'이라는 새로운 게임 이론 모델을 정형화하는 것 — Budish(2018)의 프레임워크를 확장하여 개발.
• 역사적 이중 지출 공격과 해시레이트 거래소의 유동성 데이터를 분석하여 모델을 실증적으로 검증하는 것.
• 향후 블록체인 보안에 영향을 미칠 수 있는 유동적 파생상품 시장과 다수 피해자 공격의 영향을 탐색하는 것.

제안 방법

• Budish(2018)의 경제 모델을 확장하여 공격 지속 시간이 임대 비용과 블록 보상 축적에 영향을 주도록 수정하는 것.
• 공격자와 피해자가 모두 해시레이트를 임대할 수 있는 두 명의 플레이어로 구성된 동적 게임을 도입하며, 대칭적 능력을 가진 '내구 전쟁' 게임으로 상호작용을 모델링하는 것.
• 부분 게임 완전 균형 분석을 적용하여, 반격 위협이 공격 비용이 낮더라도 균형에서 공격이 발생하지 않도록 이끄는 것을 보여주는 것.
• 피해자의 명성 손실 비용과 연속적인 공격에 따른 증가하는 마진 비용을 도입하여 현실적인 인센티브를 모델링하는 것.
• Crypto51 및 NiceHash의 데이터를 분석하여 다양한 블록체인에서 해시레이트 가용성과 공격 가능성 평가하는 실증 분석 수행.
• 보조정리 분석을 통해 다양한 시장 영향 조건(κ(β)) 하에서 거래의 안전성 한계를 정의하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자유 진입과 유동적 해시레이트 시장이 존재하는 작업량 증명 블록체인에서 이중 지출 공격이 경제적으로 타당한 조건은 무엇인가?
• RQ2 피해자가 동일한 해시레이트를 확보하여 신뢰할 수 있는 반격을 위협할 수 있으며, 이는 균형 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 반격 위협이 공격 비용이 낮더라도 공격이 발생하지 않는 부분 게임 완전 균형을 유도하는가?
• RQ4 해시레이트의 시장 유동성은 다양한 블록체인에서 이중 지출 공격의 가능성과 빈도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 블록체인 시스템에서 이중 지출 공격과 반격 행동에 대한 실증적 증거는 무엇이 있는가?

주요 결과

• 공격 비용이 낮더라도 피해자의 신뢰할 수 있는 반격 위협으로 인해 이중 지출 공격이 발생하지 않는 부분 게임 완전 균형이 존재한다.
• 모델은 공격자와 피해자가 모두 해시레이트를 임대할 수 있을 경우, 장기적인 갈등의 위험이 공격을 억제하므로 이중 지출이 수익성 없이 된다고 보여준다.
• 실증 데이터는 Bitcoin Gold와 같이 해시레이트가 NiceHash와 같은 시장에서 쉽게 빌릴 수 있는 저작업량 블록체인에서 실제로 이중 지출 공격이 발생했음을 확인한다.
• Bitcoin와 Ethereum와 같은 고작업량 블록체인은 높은 시장 영향(κ(β))으로 인해 해시레이트 확보가 막대한 비용을 수반해 대부분의 공격로부터 면역이다.
• Bitcoin Gold의 초보적 증거는 이미 반격 행동이 나타나고 있음을 시사하며, 이는 초기 단계의 억제 효과가 작동하고 있음을 나타낸다.
• 분석 결과, 저해시레이트와 높은 해시레이트 가용성(예: Expanse의 총 해시레이트의 70배)을 가진 블록체인은 공격 가능성이 크게 높으며, 종종 거의 무료로 공격가능하다.