[論文レビュー] Exploring Unfairness on Proof of Authority: Order Manipulation Attacks and Remedies

Qin Wang, Rujia Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、Proof of Authority (PoA)ブロックチェーンシステムにおける二つの新しい順序操作攻撃——トランザクションレベルの不公平とブロックレベルの不公平——を特定し、それらを活用する。誠実ではあるが利益最大化を志向する検証者が、トランザクションの順序とブロック封印シーケンスを操作可能であることを示している。著者らは、Aura や Clique といった実世界の PoA 実装におけるこれらの攻撃を評価し、6810億8700万ドル相当のマーケットキャピタル化のリスクを明らかにした。また、公平性を回復するためのコードレベルの修正策を提案している。

ABSTRACT

Proof of Authority (PoA) is a type of permissioned consensus algorithm with a fixed committee. PoA has been widely adopted by communities and industries due to its better performance and faster finality. In this paper, we explore the extit{unfairness} issue existing in the current PoA implementations. We have investigated 2,500+ extit{in the wild} projects and selected 10+ as our main focus (covering Ethereum, Binance smart chain, etc.). We have identified two types of order manipulation attacks to separately break the transaction-level (a.k.a. transaction ordering) and the block-level (sealer position ordering) fairness. Both of them merely rely on honest-but- extit{profitable} sealer assumption without modifying original settings. We launch these attacks on the forked branches under an isolated environment and carefully evaluate the attacking scope towards different implementations. To date (as of Nov 2021), the potentially affected PoA market cap can reach up to $681,087$ million USD. Besides, we further dive into the source code of selected projects, and accordingly, propose our recommendation for the fix. To the best of knowledge, this work provides the first exploration of the extit{unfairness} issue in PoA algorithms.

研究の動機と目的

• 企業およびコンsortiumブロックチェーンに広く導入されているProof of Authority (PoA)共有可能プロトコルにおける公平性の脆弱性を調査すること。
• 現実的な仮定の下で、二種類の異なるタイプの順序操作攻撃——トランザクション順序操作とブロックシーラー位置操作——を特定し、分析すること。
• Ethereum や Binance Smart Chain、Quorum で使用されているように、Aura や Clique といった主要な PoA 実装におけるこれらの攻撃の実世界への影響を評価すること。
• 10以上の主要 PoA プロジェクトのソースコード分析に基づき、公平性を回復し、悪意ある操作を防止するための実用的でコードレベルの修正策を提案すること。
• 広範な採用にもかかわらず、重大なセキュリティ的ギャップを露呈する、PoAシステムにおける不公平性の最初の形式的探求を確立すること。

提案手法

• 著者らは、2,500以上の PoA ベースプロジェクトを逆アセンブル・分析し、Parity の Aura や Geth の Clique を含む10以上の主要実装に焦点を当てた。
• 二つの攻撃ベクトルを設計した：(1) 戦略的なトランザクション送信タイミングを用いて、トランザクションの含め方の順序を操作する『トランザクションの不公平』；(2) リーダー回転ロジックを悪用して、封印優先度を高める『ブロックの不公平』。
• これらの攻撃は、プロトコルの改変や共謀を一切必要とせず、『誠実だが利益を求める』シーラーの仮定に依存しているため、非常に実用的である。
• 攻撃の成功率と範囲を測定するために、生産用 PoA チェーンの隔離されたフォークブランチ上で実験が実施された。
• Aura および Clique の深いソースコードの点検を通じて、根本原因を同定し、安全な再実装のための的確な提言がなされた。
• 先行研究（例：Kelkar ら）における公平性の形式的モデルを活用し、トランザクション順序操作とブロックレベルの公平性を定義・評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 誠実な検証者がプロトコル規則に違反せずに利益を求める場合、PoAブロックチェーンにおけるトランザクション順序はどの程度操作可能か？
• RQ2 PoAプロトコルにおけるブロックリーダー回転メカニズムは、封印優先度や最終性順序の操作をどのように可能にするか？
• RQ3 このような順序操作攻撃の実世界への影響は、主要な PoA ベースブロックチェーン全体でどの程度の金融的暴露を引き起こすか？
• RQ4 現実的な運用仮定の下で、プロトコルの改変やノード整合性の損なわれない状態でも、これらの攻撃は実行可能か？
• RQ5 既存の PoA 実装における不公平の根本原因は何か？ そして、コードレベルの修正によってどのように是正できるか？

主な発見

• この論文は、PoA が誠実だが利益を求める検証者に依存する点を悪用する二つの新しい順序操作攻撃——トランザクションの不公平とブロックの不公平——を特定した。
• これらの攻撃は、Aura や Clique を含む主要な PoA 実装で有効であり、共謀やプロトコル変更が一切不要である。
• 2021年11月現在、これらの攻撃の影響を受ける可能性のある PoA システムのマーケットキャピタル化は681,087百万ドルに達する。
• トランザクションの不公平攻撃により、攻撃者は特定の操作の前後順序を変更し、前もって取引を実行する（フロントランニング）または遅らせることが可能となり、トランザクション処理の公平性を損なう。
• ブロックの不公平攻撃は、リーダー回転ロジックを操作して、ノードが高優先度のブロックを生成する確率を高め、戦略的なブロックの隠蔽やフロントランニングを可能にする。
• 著者らは、対象となった PoA 実装の深いソースコード分析に基づき、具体的なコードレベルの修正案を提示した。