[논문 리뷰] Double-Spending Risk Quantification in Private, Consortium and Public Ethereum Blockchains

Parinya Ekparinya, Vincent Gramoli외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 14.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이더리움에서 네트워크 분할(경로설정 프로토콜(BGP) 해킹 또는 ARP 스푸핑을 통한)과 자산 잔고 공격을 조합한 이중지급 공격의 최초 종단 간 실증 평가를 제시한다. 이는 협의체 및 프라이빗 블록체인 환경에서 이러한 공격이 매우 실현 가능하며 재정적으로 참담한 피해를 줄 수 있음을 입증한다. 이로 인해 10시간 내에 자산이 최대 200,000배 증가하는 것이 가능하며, 반면 공개 이더리움에서는 네트워크 구조와 마이닝 분포로 인해 거의 불가능하다.

ABSTRACT

Recently, several works conjectured the vulnerabilities of mainstream blockchains under several network attacks. All these attacks translate into showing that the assumptions of these blockchains can be violated in theory or under simulation at best. Unfortunately, previous results typically omit both the nature of the network under which the blockchain code runs and whether blockchains are private, consortium or public. In this paper, we study the public Ethereum blockchain as well as a consortium and private blockchains and quantify the feasibility of man-in-the-middle and double spending attacks against them. To this end, we list important properties of the Ethereum public blockchain topology, we deploy VMs with constrained CPU quantum to mimic the top-10 mining pools of Ethereum and we develop full-fledged attacks, that first partition the network through BGP hijacking or ARP spoofing before issuing a Balance Attack to steal coins. Our results demonstrate that attacking Ethereum is remarkably devastating in a consortium or private context as the adversary can multiply her digital assets by 200, 000x in 10 hours through BGP hijacking whereas it would be almost impossible in a public context.

연구 동기 및 목표

• 실세계 네트워크 조건 하에서 이더리움에서의 이중지급 공격의 실현 가능성 수치화.
• BGP 해킹 또는 ARP 스푸핑을 통한 네트워크 분할이 다양한 블록체인 배포 모델에서 이중지급을 가능하게 하는 방식 조사.
• 공개, 협의체, 프라이빗 이더리움 블록체인 간 공격 성공률 및 재정적 이득 비교.
• 마이닝 파wr 분포 및 네트워크 토폴로지가 공격에 대한 내성에 미치는 영향 평가.
• 실증적 발견 기반으로 미들맨 인터셉션 및 이중지급 위협을 완화하기 위한 대응 조치 제안.

제안 방법

• Linux cgroups를 이용한 CPU 할당량 제한을 통해 상위 10개 마이닝 풀을 시뮬레이션하는 VM을 사용한 OpenStack 기반 격리된 이더리움 테스트넷 배포.
• 협의체 환경에서는 BGP 해킹을, 프라이빗 네트워크에서는 ARP 스푸핑을 사용해 네트워크 분할 시뮬레이션.
• 네트워크 분리 후 거래 확인 지연을 악용하기 위해 종합적인 잔고 공격 실행.
• 통제된 네트워크 조건 하에서 시간 경과에 따른 이중지급 성공률 및 자산 증가 측정.
• 실제 이더리움 마이닝 풀 및 네트워크 연결 데이터를 사용해 현실적인 네트워크 및 마이닝 파wr 분포 모델링.
• 다양한 확인 지연 임계값 및 공격자 마이닝 파워 수준에서의 공격 성공률 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 협의체 이더리움 배포 환경에서 BGP 해킹을 조합한 이중지급 공격은 얼마나 실현 가능한가?
• RQ2 프라이빗 이더리움 네트워크에서 ARP 스푸핑을 사용한 이중지급 공격의 성공률과 재정적 이득은 얼마인가?
• RQ3 공개 이더리움 블록체인의 네트워크 토폴로지 및 마이닝 파워 분포가 네트워크 기반 이중지급 공격의 실현 가능성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 네트워크 지연 및 분할은 이더리움의 확인 시간 간격을 악용하기 위해 공격자에게 얼마나 큰 기회를 제공하는가?
• RQ5 다양한 블록체인 배포 모델(공개 대비 프라이빗 및 협의체)에서 이러한 공격의 실질적 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 협의체 이더리움 배포 환경에서 BGP 해킹을 통해 이중지급 성공률이 최대 80%에 이르렀다.
• 프라이빗 이더리움 환경에서는 ARP 스푸핑을 통해 이중지급 성공률이 최대 80%에 이르렀다.
• 공격자가 10시간 동안 지속적으로 공격을 반복할 경우, 프라이빗 또는 협의체 환경에서 디지털 자산이 최대 200,000배 증가할 수 있었다.
• 반면, 동일한 공격는 공개 이더리움 블록체인에서는 네트워크의 분산된 토폴로지와 마이닝 파워 분포로 인해 거의 불가능했다.
• 공격 성공률는 블록체인의 배포 모델에 크게 의존하며, 프라이빗 및 협의체 체인은 상당히 취약한 편이었다.
• 결과적으로 네트워크 기반 공격는 이론적 위협이 아니라 비공개 이더리움 배포 환경에서 막대한 재정적 이득을 초래할 수 있음을 확인했다.