[논문 리뷰] Twins: BFT Systems Made Robust

Shehar Bano, Alberto Sonnino외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 22.

Information and Cyber Security인용 수 7

한 줄 요약

Twins는 동일한 신원과 자격 증명을 가진 정상 노드의 쌍둥이 복제본을 배포하여 BFT 시스템에서 바이진틴 결함 공격을 체계적으로 생성할 수 있는 새로운 확장 가능한 프레임워크를 제안한다. 등장하는 공격, 이중 투표, 투표 값 무시 등의 행동을 시뮬레이션함으로써, 분석은 분당 몇 분 내로 안전성 위반을 폭 드러내며, DiemBFT에 의 intensionally 삽입된 버그를 대규모로 탐지함으로써 검증되었다. 하루에 4400만 개의 시나리오를 실행한다.

ABSTRACT

This paper presents Twins, an automated unit test generator of Byzantine attacks. Twins implements three types of Byzantine behaviors: (i) leader equivocation, (ii) double voting, and (iii) losing internal state such as forgetting 'locks' guarding voted values. To emulate interesting attacks by a Byzantine node, it instantiates twin copies of the node instead of one, giving both twins the same identities and network credentials. To the rest of the system, the twins appear indistinguishable from a single node behaving in a 'questionable' manner. Twins can systematically generate Byzantine attack scenarios at scale, execute them in a controlled manner, and examine their behavior. Twins scenarios iterate over protocol rounds and vary the communication patterns among nodes. Twins runs in a production setting within DiemBFT where it can execute 44M Twins-generated scenarios daily. Whereas the system at hand did not manifest errors, subtle safety bugs that were deliberately injected for the purpose of validating the implementation of Twins itself were exposed within minutes. Twins can prevent developers from regressing correctness when updating the codebase, introducing new features, or performing routine maintenance tasks. Twins only requires a thin wrapper over DiemBFT, we thus envision other systems using it. Building on this idea, one new attack and several known attacks against other BFT protocols were materialized as Twins scenarios. In all cases, the target protocols break within fewer than a dozen protocol rounds, hence it is realistic for the Twins approach to expose the problems.

연구 동기 및 목표

• 실제로 복잡한 공격을 수동으로 구성하기 어려운 현실적인 조건에서 바이진틴 결함 내성(BFT) 프로토콜을 체계적으로 테스트하는 데 도전하는 것.
• 무작위 결함 주입(예: Chaos Monkey)과 형식적 검증(예: 모델 체킹)의 한계를 극복하는 것 — 이는 커버리지 부족이나 상태 폭발 문제로 인해 발생한다.
• 개발 초기 단계나 일상적인 유지보수 중에도 미세한 안전성 버그를 조기에 탐지할 수 있는 실용적이고 생산 환경에서 사용 가능한 검증 방법을 제공하는 것.
• 기존 프로토콜 코드를 수정하지 않고도 쌍둥이 복제본을 활용해 바이진틴 행동을 모의함으로써, 자동화되고 반복 가능하며 종합적인 BFT 시스템 테스트를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 동일한 암호학적 신원과 네트워크 자격 증명을 가진 단일 노드의 다수의 자율적이고 동일한 복제본(쌍둥이)을 배포하여 바이진틴 행동을 시뮬레이션하는 것.
• 쌍둥이를 사용해 리더의 이중성, 이중 투표, 투표한 값을 무시하는 등의 공격을 생성하는 것 — 이러한 행동은 단일 악성 노드가 행동하는 것과 구분되지 않는다.
• 프로토콜 라운드를 체계적으로 반복하고 쌍둥이 노드와 다른 노드 간의 통신 패턴을 다양화하여 다양한 공격 표면을 탐색하는 것.
• DiemBFT 위에 얇은 래퍼(wrapper)로 통합하여, 생산 환경에서 하루에 수백만 개의 테스트 시나리오를 자동 실행할 수 있도록 하는 것.
• 기존에 올바른 프로토콜 로직을 활용해 결함 있는 행동을 생성함으로써, 바이진틴 의미를 수동으로 구현할 필요 없이 수행하는 것.
• 기존의 알려진 및 신규 안전성 버그를 DiemBFT에 삽입하여 검증한 결과, Twins는 이 버그들을 분당 몇 분 내로 탐지함으로써 효과를 입증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동 테스트나 무작위 결함 주입으로는 찾기 어려운, BFT 합의 프로토콜에서 미세한 안전성 버그를 체계적이고 자동화된 접근 방식이 탐지할 수 있는가?
• RQ2 프로토콜 코드를 수정하지 않고도 정상 노드의 쌍둥이 복제본이 등장하는 공격, 상태 무시 등의 복잡한 바이진틴 행동을 얼마나 잘 모의할 수 있는가?
• RQ3 Twins 프레임워크는 실제 BFT 시스템인 DiemBFT와 같이 하루에 수백만 개의 테스트 시나리오를 실행할 수 있을 정도로 확장 가능한가, 동시에 낮은 가짜 경고 비율을 유지할 수 있는가?
• RQ4 Twins 접근 방식은 프로토콜 상태와 인과적 의존성에 기반한 공격을 포함한 광범위한 바이진틴 공격 클래스를 커버하는가?
• RQ5 Twins는 핵심 합의 프로토콜 외에도 재구성 및 스마트 계약 실행과 같은 부가적 구성 요소의 검증에도 확장 가능한가?

주요 결과

• Twins는 DiemBFT에 의도적으로 삽입된 안전성 버그를 분당 몇 분 내로 탐지하여 논리적 결함에 대한 높은 민감도를 입증했다.
• 프로덕션 환경에서 하루에 4400만 개의 Twins 기반 시나리오를 실행하여 확장성과 실용성을 입증했다.
• 기존의 알려진 공격과 신규 공격 모두가 10라운드 이내에 Twins 시나리오로 구현되었고, 이는 프로토콜 실패를 유도했다.
• 기존의 테스트나 무작위 결함 주입으로는 드러나지 않았던 미세한 안전성 위반을 Twins가 발견하여, 더 넓은 커버리지의 우수성을 입증했다.
• 오직 정상 실행만을 모델링하고 쌍둥이 복제본을 통해 결함 있는 행동을 생성함으로써 상태 폭발 문제를 피함으로써, 형식적 검증보다 효율적인 방법임을 입증했다.
• 프레임워크는 확장 가능하며, 핵심 합의 외에도 DiemBFT의 재구성 및 스마트 계약 실행과 같은 부가적 구성 요소의 검증에도 활용되었다.