[论文解读] Double-Spending Risk Quantification in Private, Consortium and Public Ethereum Blockchains

Parinya Ekparinya, Vincent Gramoli+1 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 10被引用 5

一句话总结

本文首次对结合网络分区（通过BGP劫持或ARP欺骗）与余额攻击的双重花费攻击进行了端到端的实证评估，证明在联盟链和私有区块链中此类攻击极具可行性且财务破坏力极强——在10小时内可实现高达200,000倍的资产收益，而在公共以太坊中则几乎不可能实现，原因在于其网络拓扑结构和挖矿分布特性。

ABSTRACT

Recently, several works conjectured the vulnerabilities of mainstream blockchains under several network attacks. All these attacks translate into showing that the assumptions of these blockchains can be violated in theory or under simulation at best. Unfortunately, previous results typically omit both the nature of the network under which the blockchain code runs and whether blockchains are private, consortium or public. In this paper, we study the public Ethereum blockchain as well as a consortium and private blockchains and quantify the feasibility of man-in-the-middle and double spending attacks against them. To this end, we list important properties of the Ethereum public blockchain topology, we deploy VMs with constrained CPU quantum to mimic the top-10 mining pools of Ethereum and we develop full-fledged attacks, that first partition the network through BGP hijacking or ARP spoofing before issuing a Balance Attack to steal coins. Our results demonstrate that attacking Ethereum is remarkably devastating in a consortium or private context as the adversary can multiply her digital assets by 200, 000x in 10 hours through BGP hijacking whereas it would be almost impossible in a public context.

研究动机与目标

• 量化在真实网络条件下以太坊双重花费攻击的可行性。
• 研究通过BGP劫持或ARP欺骗实现的网络分区如何在不同区块链部署模式下促成双重花费。
• 比较公共、联盟和私有以太坊区块链中攻击的成功率与财务收益。
• 评估挖矿算力分布与网络拓扑对攻击抵御能力的影响。
• 基于实证发现提出对策，以缓解中间人攻击与双重花费威胁。

提出的方法

• 使用OpenStack在沙盒环境中部署以太坊测试网，通过Linux cgroups限制CPU资源，模拟前10大挖矿池的节点。
• 在联盟环境中通过BGP劫持模拟网络分区，在私有网络中通过ARP欺骗实现网络分区。
• 在网络隔离后执行完整的余额攻击，以利用交易确认延迟。
• 在受控网络条件下，测量双重花费的成功率与资产收益随时间的变化。
• 使用真实的以太坊挖矿池与连通性数据，建模真实的网络与挖矿算力分布。
• 评估不同确认延迟阈值与攻击者挖矿算力水平下的攻击成功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在联盟以太坊部署中，结合BGP劫持的双重花费攻击在多大程度上是可行的？
• RQ2 在私有以太坊网络中，使用ARP欺骗的双重花费攻击的成功率与财务收益是多少？
• RQ3 公共以太坊区块链的网络拓扑与挖矿分布如何影响基于网络的双重花费攻击的可行性？
• RQ4 网络延迟与网络分区在多大程度上使攻击者能够利用以太坊的确认时间窗口？
• RQ5 这些攻击在不同区块链部署模型（公共 vs. 私有 vs. 联盟）中的实际影响是什么？

主要发现

• 在联盟以太坊部署中，BGP劫持使双重花费的成功率最高可达80%。
• 在私有以太坊环境中，ARP欺骗使双重花费的成功率最高可达80%。
• 攻击者可通过在10小时内持续重复攻击，在私有或联盟环境中实现数字资产200,000倍的增幅。
• 相比之下，由于公共以太坊区块链具有去中心化的网络拓扑与挖矿算力分布，相同攻击几乎不可能实现。
• 攻击的成功高度依赖于区块链的部署模型，其中私有链与联盟链显著更易受攻击。
• 结果证实，基于网络的攻击并非仅理论威胁，而可能在非公共以太坊部署中导致巨额财务收益。