[논문 리뷰] On the Feasibility of Sybil Attacks in Shard-Based Permissionless Blockchains

Tayebeh Rajab, Mohammad Hossein Manshaei외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 16.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 27인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 Elastico를 사례 연구로 삼아, 스플릿 기반 허가 없는 블록체인에서 Sybil 공격의 가능성을 분석한다. 두 가지 공격 유형—합의 프로토콜 파괴(Breaking Consensus Protocol, BCP) 및 위조 거래 생성(Generating Fake Transactions, GFT)—를 모델링하고, 스플릿 수, 용량, 악성 공격자 해시 파워 등의 네트워크 파라미터를 바탕으로 공격 성공 확률을 분석적으로 유도한다. 주요 발견은 Elastico가 네트워크 해시 파워의 25%만으로도 Sybil 공격에 취약하다는 것이다.

ABSTRACT

Bitcoin's single leader consensus protocol (Nakamoto consensus) suffers from significant transaction throughput and network scalability issues due to the computational requirements of it Proof-of-Work (PoW) based leader selection strategy. To overcome this, committee-based approaches (e.g., Elastico) that partition the outstanding transaction set into shards and (randomly) select multiple committees to process these transactions in parallel have been proposed and have become very popular. However, by design these committee or shard-based blockchain solutions are easily vulnerable to the Sybil attacks, where an adversary can easily compromise/manipulate the consensus protocol if it has enough computational power to generate multiple Sybil committee members (by generating multiple valid node identifiers). Despite the straightforward nature of these attacks, they have not been systematically analyzed. In this paper, we fill this research gap by modelling and analyzing Sybil attacks in a representative and popular shard-based protocol called Elastico. We show that the PoW technique used for identifier or ID generation in the initial phase of the protocol is vulnerable to Sybil attacks, and a node with high hash-power can generate enough Sybil IDs to successfully compromise Elastico. We analytically derive conditions for two different categories of Sybil attacks and perform numerical simulations to validate our theoretical results under different network and protocol parameters.

연구 동기 및 목표

• 스플릿 기반 허가 없는 블록체인, 특히 Elastico가 Sybil 공격에 얼마나 취약한지 조사하기 위해.
• BCP(스플릿 내 합의를 방해함)와 GFT(최종 블록에 위조 거래 삽입함)라는 두 가지 유형의 Sybil 공격을 모델링하고 정량화하기 위해.
• 스플릿 수, 스플릿 용량, 악성 공격자 해시 파워와 같은 시스템 파라미터가 공격 성공 확률에 어떻게 영향을 미치는지 분석하기 위해.
• 다양한 네트워크 및 프로토콜 구성 조건 하에서 이론적 모델을 수치 시뮬레이션을 통해 검증하기 위해.
• 스플릿 기반 블록체인 시스템에서 Sybil 공격을 완화하기 위한 설계 지침 제공하기 위해.

제안 방법

• Sybil 노드의 공격 표면으로서 Elastico의 PoW 기반 ID 생성 메커니즘을 모델링한다.
• 두 가지 공격 유형을 정의한다: BCP(스플릿 내 슈퍼메이저리티를 확보하여 합의를 방해함)와 GFT(최종 블록에 불법 거래를 삽입함).
• 초기하분포 및 이항 꼬리 부등식을 사용하여 BCP 및 GFT 공격의 성공 확률에 대한 분석적 표현을 도출한다.
• 스플릿 수, 용량, 악성 공격자 해시 파워의 다양한 구성 조건에서 이론적 공격 확률 모델을 검증하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행한다.
• 실제 가정 조건 하에서 공격 가능성을 추정하기 위해 각 스플릿 당 악성 노드 분포에 대한 근사값을 적용한다.
• 스플릿 수(최대 16), 스플릿 용량(≥600), 악성 공격자 해시 파워(25%에서 66%까지)와 같은 시스템 파라미터가 공격 성공률에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Elastico에서 Sybil 공격자가 한 개의 스플릿 내 합의를 성공적으로 방해할 확률은 얼마인가?(BCP 공격)
• RQ2 Elastico에서 Sybil 공격자가 최종 블록체인에 위조 거래를 성공적으로 삽입할 확률은 얼마인가?(GFT 공격)
• RQ3 스플릿 수, 스플릿 용량, 악성 공격자 해시 파워와 같은 시스템 파라미터가 Sybil 공격의 성공 확률에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 실제 네트워크 조건 하에서 이론적 공격 확률 모델은 수치 시뮬레이션을 통해 검증될 수 있는가?
• RQ5 스플릿 기반 허가 없는 블록체인에서 Sybil 공격를 효과적으로 완화할 수 있는 조건는 무엇인가?

주요 결과

• 공격자가 네트워크 총 해시 파워의 25%를 차지할 경우, 적어도 한 개의 스플릿에서 합의를 파괴할 확률이 0.2이다.
• 공격자가 해시 파워의 33%에서 53%를 차지할 경우, BCP 공격의 성공 확률은 0.8를 초과한다.
• GFT 공격의 경우, 네트워크에 최대 16개의 스플릿이 있고 각 스플릿 용량이 최소 600일 경우 확률이 0.001 이하로 떨어진다.
• 해시 파워의 56% 이상을 차지하는 공격자는 BCP 공격에서 100% 성공률를 달성할 수 있으며, 최적 구성 조건에서 GFT 공격 확률은 0.001 이하로 유지된다.
• 공격자가 해시 파워의 66% 이상을 차지할 경우, BCP 공격의 성공 확률은 1이 되고, GFT 공격 확률은 0.75를 초과한다.
• 결과적으로 Elastico는 중간에서 높은 수준의 악성 공격자 해시 파워 하에서, 특히 낮은 스플릿 수와 작은 용량 조건에서 Sybil 공격에 강건하지 않음을 입증한다.