[논문 리뷰] Profitable Double-Spending Attacks

Jaehyuk Jang, Heung-No Lee|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 05.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 24인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 블록체인에서 네트워크의 계산 능력의 50% 미만을 점유한 공격자가 이중 지출(이중지출, DS) 공격의 수익성을 분석하기 위한 새로운 확률적 프레임워크를 제안한다. 유한 시간 내 공격 성공 확률 모델을 유도함으로써, 저자들은 공격자가 어떤 해시 비율 비율에서도 수익성이 있을 수 있음을 증명하며, 이러한 공격이 경제적으로 타당해지기 위한 거래 가치에 대한 必요하고도 충분한 조건을 설정한다. 놀랍게도, 50% 이하의 공격자도 거래 크기와 네트워크 파라미터가 일치하면 수익을 올릴 수 있다.

ABSTRACT

Our aim in this paper is to investigate the profitability of double-spending (DS) attacks that manipulate an a priori mined transaction in a blockchain. It was well understood that a successful DS attack is established when the proportion of computing power an attacker possesses is higher than that the honest network does. What is not yet well understood is how threatening a DS attack with less than 50% computing power used can be. Namely, DS attacks at any proportion can be of a threat as long as the chance to making a good profit exists. Profit is obtained when the revenue from making a successful DS attack is greater than the cost of carrying out one. We have developed a novel probability theory for calculating a finite time attack probability. This can be used to size up attack resources needed to obtain the profit. The results enable us to derive a sufficient and necessary condition on the value of a transaction targeted by a DS attack. Our result is quite surprising: we theoretically show that DS attacks at any proportion of computing power can be made profitable. Given one's transaction size, the results can also be used to assess the risk of a DS attack. An example of the attack resources is provided for the BitcoinCash network.

연구 동기 및 목표

• 공격자가 네트워크의 계산 능력의 50% 미만을 점유할 때 이중 지출 공격의 수익성을 조사하는 것.
• 공격 비용과 수익을 모두 고려할 때 이러한 공격이 순수익을 낼 수 있는 조건을 규명하는 것.
• 주어진 시간 창 내에서 성공적인 이중 지출 공격의 가능성을 정확하게 추정할 수 있는 유한 시간 확률 모델을 개발하는 것.
• 어느 정도의 공격자 해시 비율에 대해서도 수익성이 보장되도록 하는 거래 가치에 대한 必요하고도 충분한 조건을 도출하는 것.
• 비트코인캐시 네트워크를 사례 연구로 활용하여 공격의 실현 가능성과 요구 자원을 실용적으로 평가하는 것.

제안 방법

• 저자들은 블록 채굴 동역학과 시간 제약 조건을 고려하여 유한 시간 내 공격 성공 확률을 계산하기 위한 새로운 확률 이론을 개발한다.
• 공격자의 채굴 과정을 공격자 체인과 정직한 네트워크 체인 간의 스토케스틱 레이스로 모델링하며, 음수 이항분포와 포아송 과정을 사용한다.
• 공격자가 목표 시간 내에 따라잡을 수 있는 확률을 계산하기 위해 거래 확정 깊이와 공격자의 상대적 해시 비율을 통합한다.
• 공격 체인을 채굴하는 데 드는 계산 비용과 성공한 이중 지출에서 얻는 예상 수익을 비교함으로써 비용-편익 분석을 수행한다.
• 이 프레임워크를 통해 특정 공격자 해시 비율에 대해 공격 수익성을 보장하는 임계 거래 가치를 유도할 수 있다.
• 모델의 재현 가능성과 실용적 적용 가능성을 확보하기 위해 MATLAB 코드를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공격자가 네트워크의 계산 능력의 50% 미만을 점유할 경우 이중 지출 공격이 수익성이 있을 수 있는가?
• RQ2 주어진 공격자 해시 비율에서 순수익을 얻기 위해 필요한 최소 거래 가치는 얼마인가?
• RQ3 이중 지출 공격의 유한 시간 내 성공 확률은 공격자의 상대적 해시 비율과 확정 깊이에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 주어진 거래 크기에 대해 원하는 성공 확률을 달성하기 위해 필요한 공격 자원(예: 채굴 능력, 시간)은 무엇인가?
• RQ5 실제 블록체인 시스템인 비트코인캐시에서 이중 지출 공격의 수익성은 어떻게 평가할 수 있는가?

주요 결과

• 논문은 이론적으로 이중 지출 공격가 어떤 계산 능력 비율에서든 수익성이 있을 수 있음을 증명하며, 이는 거래 가치가 유도된 임계값을 초과할 경우에 한해 가능하다.
• 공격자의 해시 비율과 확정 깊이에 따라 수익성이 보장되도록 하는 거래 가치에 대한 必요하고도 충분한 조건이 도출되었다.
• 유한 시간 공격 성공 확률 모델은 이전의 점근적 근사치보다 더 정확한 특정 시간 창 내 공격 성공 가능성을 추정할 수 있게 해준다.
• 비트코인캐시 네트워크의 경우, 주어진 크기의 거래에서 90%의 성공 확률을 달성하기 위해 필요한 공격 자원의 구체적인 예시를 제공한다.
• 낮은 공격자 해시 비율 조건에서도 거래 가치가 채굴 비용 대비 충분히 높다면 수익성 있는 공격이 실현 가능하다는 것이 결과적으로 드러났다.
• 이 프레임워크는 수익성이 계산 능력의 우세성에만 의존하는 것이 아니라, 거래 크기와 확정 시간의 영향도 크다는 점을 입증한다.