[论文解读] An Analysis of Attacks on Blockchain Consensus

George Bissias, Brian Neil Levine+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2016

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 1被引用 18

一句话总结

本文提出了一种新颖的连续时间经济模型，用于评估区块链系统（尤其是比特币）中双花攻击的盈利能力和成功概率，考虑了算力、交易确认深度、受威胁资产价值以及并发的Eclipse攻击的影响。结果表明，随着确认深度的增加，交易安全性呈对数增长，当受威胁资产超过100万BTC时，55个确认可抵御拥有最多35%算力的攻击者。

ABSTRACT

We present and validate a novel mathematical model of the blockchain mining process and use it to conduct an economic evaluation of the double-spend attack, which is fundamental to all blockchain systems. Our analysis focuses on the value of transactions that can be secured under a conventional double-spend attack, both with and without a concurrent eclipse attack. Our model quantifies the importance of several factors that determine the attack's success, including confirmation depth, attacker mining power, and any confirmation deadline set by the merchant. In general, the security of a transaction against a double-spend attack increases roughly logarithmically with the depth of the block, made easier by the increasing sum of coin turned-over (between individuals) in the blocks, but more difficult by the increasing proof of work required. In recent blockchain data, we observed a median block turnover value of 6 BTC. Based on this value, a merchant requiring a single confirmation is protected against only attackers that can increase the current mining power by 1% or less. However, similar analysis shows that a merchant that requires a much longer 72 confirmations (~12 hours) will eliminate all potential profit for any double-spend attacker adding mining power less than 40% of the current mining power.

研究动机与目标

• 为解决区块链系统中双花攻击缺乏全面经济模型的问题，特别是超越基本成功概率的局限。
• 量化现实世界中交易抵御双花攻击的安全性，综合考虑攻击者的激励与成本。
• 评估双花攻击与Eclipse攻击协同作用对交易安全性的影响。
• 为商家和协议设计者提供可操作的指导，以设定安全的确认深度和截止时间。

提出的方法

• 构建区块链挖矿过程的连续时间数学模型，以分析双花攻击的动态行为。
• 引入关键变量：攻击者的算力（q）、确认深度（z）、受威胁资产价值（v）以及区块奖励。
• 使用方程建模攻击者的利润与盈亏平衡条件，包括工作量证明成本和潜在收益。
• 利用2016年至2019年的真实区块挖矿数据验证模型，评估确认时间与截止时间的可行性。
• 通过建模攻击者控制某个对等节点的区块链视图，评估双花攻击与Eclipse攻击的联合影响。
• 基于图3（基于公式10和22）构建决策框架，帮助用户根据所需安全等级选择z个确认。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同算力水平和确认深度下，双花攻击的经济盈亏平衡点是什么？
• RQ2 Eclipse攻击的存在如何影响双花攻击的盈利能力和成功率？
• RQ3 当受威胁资产高达100万BTC时，为抵御拥有最多35%算力的攻击者，需要多少确认深度（z）？
• RQ4 受威胁资产总值（周转额）如何影响交易抵御双花攻击的安全性？
• RQ5 在存在Eclipse攻击的情况下，商家设定的确认截止时间在何种条件下会降低攻击者的收益？

主要发现

• 若受威胁资产价值低于100 BTC，仅需一个确认的商家可抵御拥有最多10%算力的攻击者。
• 当确认深度达到55个（约9小时）时，即使受威胁资产高达100万BTC（估值约7亿美元），交易也能抵御拥有最多35%算力的攻击者。
• 由于工作量证明成本持续上升，且攻击者潜在收益增加，交易安全性随确认深度的增加而近似对数增长。
• 仅当攻击者算力低于35%或所需确认数少于10个时，Eclipse攻击才会提升攻击者的盈利能力。
• 采用保守的确认截止时间（例如d = 10z分钟）可显著降低攻击者收益，但实践中仅有约60%的z个区块序列满足此类截止时间，表明需制定应急方案。
• 商家应将受威胁资产价值（v）设定为交易确认后z个区块内观察到的最大周转额，以确保安全性的保守估计。