[논문 리뷰] Security Analysis of Filecoin's Expected Consensus in the Byzantine vs Honest Model

Xuechao Wang, Sarah Azouvi외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 14.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 Filecoin의 예상 공감(Estimated Consensus, EC)에 대한 첫 번째 공식적인 보안 분석을 제공하며, m=5일 때 총 스토리지 파wr의 비율 βm < 1 − e^{-(1−β)m} 이하인 비잔티노스 공격자에 대해 EC가 보안됨을 증명한다. 논문은 βm ≥ 1 − e^{-(1−β)m}일 때 n-split 공격이 심각한 취약점임을 밝혀내며, 이 임계값이 날카롭게 조건이 되며, 일관된 브로드캐스트와 수정된 블록 선택 메커니즘을 제안한다. 이 중 일관된 브로드캐스트는 Filecoin 개선 제안(FIP)으로 구현되고 있다.

ABSTRACT

Filecoin is the largest storage-based open-source blockchain, both by storage capacity (&gt;11EiB) and market capitalization. This paper provides the first formal security analysis of Filecoin's consensus (ordering) protocol, Expected Consensus (EC). Specifically, we show that EC is secure against an arbitrary adversary that controls a fraction $β$ of the total storage for $βm&lt; 1- e^{-(1-β)m}$, where $m$ is a parameter that corresponds to the expected number of blocks per round, currently $m=5$ in Filecoin. We then present an attack, the $n$-split attack, where an adversary splits the honest miners between multiple chains, and show that it is successful for $βm \ge 1- e^{-(1-β)m}$, thus proving that $βm= 1- e^{-(1-β)m}$ is the tight security threshold of EC. This corresponds roughly to an adversary with $20\%$ of the total storage pledged to the chain. Finally, we propose two improvements to EC security that would increase this threshold. One of these two fixes is being implemented as a Filecoin Improvement Proposal (FIP).

연구 동기 및 목표

• 비잔티노스 공격자 모델 하에서 Filecoin의 예상 공감(EC)의 보안을 공식적으로 분석하는 것.
• EC가 보안성을 잃기 시작하는 공격자 스토리지 파wr의 정확한 비율(β)의 임계값을 규명하는 것.
• 특히 n-split 공격과 같은 새로운 공격에 대비한 EC 보안을 향상시키기 위한 실용적인 개선 사항을 제안하고 평가하는 것.
• EC에서의 인cent라이브 호환성, 동적 네트워크, 복잡한 가중치 함수에 대한 향후 연구를 위한 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• 이전 연구 [14]의 증명 기법을 확장하여 DAG 기반, 티셋 기반 공감 모델에서 EC의 보안을 분석한다.
• 각 라운드의 블록 생성을 평균 m=5인 포isson 분포로 모델링하고, 공격자 체인 성장 확률을 유도한다.
• 블록이 영구히 주 체인에 남아 있을 수 있는 충분조건을 제안하며, DAG의 구조와 티셋 의존성도 고려한다.
• 등장성 방지(equivocation)를 방지하기 위해 일관된 브로드캐스트를 제안하여 모든 정상 노드가 블록 유효성에 대해 동일하게 합의하도록 보장한다.
• n-split 공격을 분석하며, 공격자가 정상 마이너를 여러 체인으로 분할하여 경쟁적인 무거운 체인을 생성함으로써 체인 일관성을 해칠 수 있음을 밝힌다.
• 등장성 방지하지 않는 공격자에 대한 보안 임계값의 영향을 분석하며, 이러한 조건 하에서 약 40%의 더 높은 임계값이 존재할 것이라고 가설을 제시한다.

((a)) Example of a tipset chain: {A,B,C} is the first tipset after Genesis, and the parent tipset of {D,E}, which is itself the parent tipset of tipset {F,G,H}.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비잔티노스 공격자가 스토리지 파wr의 β 비율을 제어할 때 예상 공감의 정확한 보안 임계값은 무엇인가?
• RQ2 n-split 공격은 예상 공감의 티셋 구조를 어떻게 악용하여 체인 일관성을 떨어뜨리는가?
• RQ3 일관된 브로드캐스트는 예상 공감에서 등장성을 효과적으로 방지하고 n-split 공격을 완화하는 데에 유용한가?
• RQ4 등장성 방지하지 않는 공격자의 영향은 예상 공감의 보안 임계값에 어떤 영향을 미치며, 등장성 방지하는 경우와 비교해보면 어떠한가?
• RQ5 정적 가중치와 동기 네트워크와 같은 단순화된 가정은 보안 분석의 타당성과 일반화 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 예상 공감의 보안 임계값은 βm = 1 − e^{-(1−β)m}로 날카롭게 묶여 있으며, Filecoin에서는 m=5이므로 공격자 스토리지 파wr의 약 20%에 해당한다.
• n-split 공격은 βm ≥ 1 − e^{-(1−β)m}일 때 성공하며, 이는 이 임계값이 날카롭게 조건이 되며, 이를 초월하면 보안이 깨진다는 것을 증명한다.
• 일관된 브로드캐스트를 활용한 제안된 대응책은 공식적으로 타당하며, Filecoin 개선 제안(FIP)으로 구현되고 있다.
• 일관된 브로드캐스트를 적용하면 공격자의 등장성 능력이 제거되어 n-split 공격을 성공적으로 수행하는 데 어려움이 크게 증가한다.
• 등장성 방지하지 않는 공격자 조건 하에서는 보안 임계값이 약 40%로 상승할 것이라고 가설을 제시하지만, 공식 증명은 아직 남아 있다.
• 현재 분석은 정적 가중치와 동기 네트워크를 가정하고 있으며, 향후 연구는 동적, 이종적, 인센티브 호환 모델로 결과를 확장할 필요가 있다.

((b)) Example of two tipsets with equal weight. Tipset {D,E} and tipset {F} both have a weight of 5. (roughly, the weight is calculated as the sum of the blocks in all the tipsets, see Section 3.3 for details).