[논문 리뷰] Low-cost attacks on Ethereum 2.0 by sub-1/3 stakeholders

Michael Neuder, Daniel J. Moroz외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 03.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 12인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 스테이킹 비율이 30%에 불과한 공격자가 이더리움 2.0의 스테이킹 자산을 이용해 저비용이며, 슬래싱 조건을 유발하지 않는 두 가지 공격을 수행할 수 있음을 입증한다: 악성 체인 재조정(reorgs)과 최종성 지연(finality delays). 블록과 어티스테이션을 전략적으로 유보함으로써 공격자는 이중 지불(double-spending)이나 프론트런닝을 유도하고, 시간당 최대 19분까지 최종성을 지연시킬 수 있으며, 이로 인해 시스템의 예측 가능성과 보안성이 떨어진다. 총 비용은 5~500달러 수준이다.

ABSTRACT

We outline two dishonest strategies that can be cheaply executed on the Ethereum 2.0 beacon chain, even by validators holding less than one-third of the total stake: malicious chain reorganizations ("reorgs") and finality delays. In a malicious reorg, an attacker withholds their blocks and attestations before releasing them at an opportune time in order to force a chain reorganization, which they can take advantage of by double-spending or front-running transactions. To execute a finality delay an attacker uses delayed block releases and withholding of attestations to increase the mean and variance of the time it takes blocks to become finalized. This impacts the efficiency and predictability of the system. We provide a probabilistic and cost analysis for each of these attacks, considering a validator with 30% of the total stake.

연구 동기 및 목표

• 슬래싱 조건을 유발하지 않는 이더리움 2.0 빔 체인에 대한 새로운 저비용 공격 벡터를 식별하고 분석하는 것.
• 1/3 미만의 스테이킹 비율을 가진 공격자—특히 30% 스테이킹 비율을 가진 자—가 여전히 합의 무결성을 손상시킬 수 있음을 입증하는 것.
• 스테이킹 기반 시스템에서 악성 체인 재조정과 최종성 지연의 확률, 비용, 영향을 정량화하는 것.
• 암호학적 갈등이 아닌 시간 조절과 조율을 악용하는 공격이 있을 경우 1/3 스테이킹 비율이 보안에 충분하다는 가정을 도전하는 것.
• 실제로 이러한 공격의 실행 가능성과 경제적 유인 조건을 평가하는 것.

제안 방법

• 공격은 GHOST 포크 선택 규칙과 Casper FFG 최종성 가젯을 악용하며, 30% 스테이킹 비율을 가진 공격자가 블록과 어티스테이션을 유보하여 체인 선택을 조작한다.
• 악성 재조정의 경우, 공격자는 유리한 포크 선택 결과가 도출될 때까지 자신의 블록과 어티스테이션을 지연하여 이중 지불이나 프론트런닝을 가능하게 한다.
• 최종성 지연의 경우, 공격자는 정확한 에포크 경계 블록(EBB)을 향한 어티스테이션을 유보함으로써 정직한 검증자들이 잘못된 EBB에 어티스테이션을 낭비하게 한다.
• 공격자는 두 번의 연속된 에포크 동안 정확한 또는 잘못된 EBB에 대해 충분한 어티스테이션을 확보하지 못하도록 하여 슈퍼마이오리티 연결이 형성되지 않도록 한다.
• 성공 확률은 P(앞면) = 0.91인 비대칭 동전 뒤집기 유사 모델을 사용하여 모델링되며, 이는 공격자가 EBB와 다음 블록를 동시에 제어할 확률을 나타낸다.
• 비용은 낭비된 어티스테이션 수와 네트워크 지연 시간에 기반하여 계산되며, 최종성 지연 공격의 총 비용은 시간이 지남에 따라 100~1200달러 수준이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1/3 미만의 스테이킹 비율을 가진 공격자가 슬래싱 조건을 유발하지 않고도 이더리움 2.0의 체인 선택 및 최종성 메커니즘을 성공적으로 조작할 수 있는가?
• RQ2 스테이킹 비율이 30%인 공격자가 악성 체인 재조정을 수행할 확률과 비용은 얼마인가?
• RQ3 30% 스테이킹 비율을 가진 공격자는 빔 체인에서 최종성을 얼마나 자주 지연시킬 수 있으며, 이러한 지연의 평균 지속 시간은 얼마인가?
• RQ4 최종성 지연은 거래 최종화 예측 가능성과 시스템 효율성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 공격 성공 확률은 공격자의 스테이킹 비율에 따라 어떻게 변화하는가? 이러한 공격의 경제적 유인 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 30% 스테이킹 비율을 가진 공격자는 시간당 평균적으로 약 3개의 에포크(약 19분) 동안 최종성을 지연시킬 수 있으며, 이는 시스템의 예측 가능성에 심각한 영향을 미친다.
• 길이 2의 최종성 지연 발생 확률은 약 9%로, 공격자의 30% 스테이킹 비율과 블록 및 어티스테이션 타이밍 제어 능력에 기반한다.
• 악성 재조정 공격는 최소 5달러의 비용으로 수행 가능하며, 이는 이중 지불이나 프론트런닝을 높은 확률로 유도할 수 있다.
• 최종성 지연 공격의 총 비용은 빈도와 네트워크 조건에 따라 시간이 지남에 따라 100~1200달러 수준이며, 경제적으로 실현 가능하다.
• 이 공격들은 슬래싱 조건을 위반하지 않으며, 충돌하는 블록이나 어티스테이션을 서명하지 않기 때문이다.
• 25% 스테이킹 비율을 가진 공격자는 약 3시간에 한 번씩 길이 2의 재조정을 수행하고, 시간당 한 번씩 2에포크 최종성 지연을 유도할 수 있으며, 이는 낮은 스테이킹 비율이라도 영향력 있는 공격가능성을 보여준다.