[논문 리뷰] On Subversive Miner Strategies and Block Withholding Attack in Bitcoin Digital Currency

Nicolas T. Courtois, Lear Bahack|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 28.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 2인용 수 198

한 줄 요약

이 논문은 블록 회피(BWH) 공격을 통해 정직한 마이너들이 손해를 보는 방식으로 악의적인 마이너들이 이득을 볼 수 있는 비트코인의 암호화 지식 전략을 분석한다. 이는 기존의 순수한 파괴적 공격으로 여겨졌던 바, 본 논문은 실제로 수익성이 있을 수 있음을 입증하며, 실제로는 다른 풀에서 마이닝을 하면서 일부 풀에 유효한 블록을 선택적으로 회피함으로써 악의적인 마이너의 이득을 극대화하는 실용적인 BWH 공격을 제안한다.

ABSTRACT

Bitcoin is a "crypto currency", a decentralized electronic payment scheme based on cryptography. Bitcoin economy grows at an incredibly fast rate and is now worth some 10 billions of dollars. Bitcoin mining is an activity which consists of creating (minting) the new coins which are later put into circulation. Miners spend electricity on solving cryptographic puzzles and they are also gatekeepers which validate bitcoin transactions of other people. Miners are expected to be honest and have some incentives to behave well. However. In this paper we look at the miner strategies with particular attention paid to subversive and dishonest strategies or those which could put bitcoin and its reputation in danger. We study in details several recent attacks in which dishonest miners obtain a higher reward than their relative contribution to the network. In particular we revisit the concept of block withholding attacks and propose a new concrete and practical block withholding attack which we show to maximize the advantage gained by rogue miners. RECENT EVENTS: it seems that the attack was recently executed, see Section XI-A.

연구 동기 및 목표

• 비트코인의 보안과 탈중앙화를 위협하는 부정직한 마이닝 전략을 조사하기 위해.
• 실제 마이닝 풀에서 블록 회피(BWH) 공격의 수익성과 실용성을 분석하기 위해.
• 기존의 주장과는 달리 BWH 공격이 순수한 파괴적 공격이 아니라 수익성이 있을 수 있음을 도전하기 위해.
• 마이닝 풀의 중심화를 이끄는 구조적 인센티브와 고비용에도 불구하고 큰 풀이 지속되는 이유를 설명하기 위해.
• 악의적인 마이너의 이득을 극대화하면서도 탐지되지 않도록 하는 정교한 BWH 공격 모델을 제안하기 위해.

제안 방법

• 악의적인 마이너가 다른 풀에서 마이닝을 동시에 수행하면서 마이닝 풀에 유효한 블록을 선택적으로 회피하는 새로운 BWH 공격 변종을 제안한다.
• 비대칭 정보 하에서 마이너의 인센티브와 수익 극대화를 분석하기 위해 게임 이론적 모델링을 사용한다.
• 탐지 방지를 위해 공격 트래픽을 여러 개의 신원으로 분할하는 전략을 도입한다.
• 특히 단일 마이너가 공격을 수행할 경우 BWH 공격이 수익성이 있는 조건을 분석한다.
• 마이닝 풀의 탐지 한계를 평가하여, 잘 설계된 BWH 공격은 매우 추적하기 어렵다는 것을 보여준다.
• 공격의 수익성이 가장 높아지는 조건은 공격자가 단일 신원으로 대규모 마이닝을 피하는 경우임을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 주장과 달리, 블록 회피 공격이 순수한 파괴적 공격이 아니라 수익성이 있을 수 있는가?
• RQ2 어떤 특정 전략이 마이닝 풀에 의해 탐지되지 않으면서도 악의적인 마이너의 이득을 극대화할 수 있는가?
• RQ3 고비용과 알려진 위험에도 불구하고 마이너들이 왜 여전히 큰 중심화된 풀에 가입하는가?
• RQ4 단일 악의적인 마이너가 BWH 공격을 수행할 경우, 정직한 마이너와 풀 운영자들의 인센티브는 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 마이닝 풀 설계의 어떤 구조적 약점이 수익성 있고 탐지되지 않는 블록 회피 공격을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 제안된 블록 회피 공격은 악의적인 마이너에게 수익성이 있으며, 이는 이전의 주장과는 정반대되는 것이다. 즉, 이러한 공격은 직접적인 이득이 없다고 여겨졌지만 실제로는 수익성이 있다.
• 특히 여러 신원을 사용할 경우, 마이닝 풀이 공격자를 탐지하기 매우 어렵게 만들 수 있다.
• 실제로 2014년 6월에 엘리지우스 마이닝 풀에 블록 회피 공격이 시행되었을 가능성이 있으며, 이로 인해 정직한 마이너들이 약 300 BTC의 손실을 입었다.
• 공격을 탐지한 마이닝 풀은 의심스러운 공격자로부터 지급을 차단할 수 있지만, 공격이 올바르게 수행된다면 이는 여전히 수익성이 있다.
• 공격의 수익성이 가장 높아지는 조건은 단일 마이너가 공격을 수행할 경우이며, 동시에 여러 마이너가 부정행위를 할 경우 개별 수익은 감소한다.
• 이 논문은 큰 풀의 지속적인 마이닝 중심화 현상을, 정직한 마이너보다 악의적인 마이너에게 유리한 부정직한 전략이 지배하는 합리적 결과로 설명한다.