[论文解读] 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 6

一句话总结

本文识别并利用了两种新型的秩序操纵攻击——事务级不公平与区块级不公平——在权益证明（PoA）区块链系统中，证明了诚实但以利润最大化为目标的验证者可以操纵事务排序与区块密封顺序。作者在真实世界的PoA实现（如Aura和Clique）中评估了这些攻击，揭示了高达6810.87亿美元的市值面临风险，并提出了代码级别的修复方案以恢复公平性。

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.

研究动机与目标

• 调查在企业及联盟区块链中广泛部署的权益证明（PoA）共识协议中的公平性漏洞。
• 在现实假设下，识别并分析两种不同的秩序操纵攻击——事务排序操纵与区块密封者位置操纵。
• 评估这些攻击对主要PoA实现（如Aura和Clique）的真实世界影响，包括在以太坊、币安智能链和Quorum中使用的实现。
• 基于对10多个主流PoA项目源代码的分析，提出实用的、代码级别的修复方案，以恢复公平性并防止恶意操纵。
• 首次对PoA系统中的不公平性进行形式化探索，揭示了尽管广泛采用，但仍存在关键安全漏洞。

提出的方法

• 作者逆向工程并分析了2500多个基于PoA的项目，重点关注10多个主流实现，包括Aura（Parity）和Clique（Geth）。
• 设计了两种攻击向量：(1) 通过战略性地选择事务提交时间来操纵事务包含顺序，实现事务不公平；(2) 利用领导者轮换逻辑，获取更高的区块密封优先级，实现区块不公平。
• 这些攻击仅依赖于“诚实但有利可图”的密封者假设——无需协议修改或共谋——使其具有高度实用性。
• 实验在生产PoA链的隔离、分叉分支上进行，以测量不同实现中攻击的成功率与影响范围。
• 通过深入分析Aura和Clique的源代码，识别出根本原因，并提出针对性的、安全的重新实现建议。
• 本研究借鉴了先前工作（如Kelkar等人）中的公平性形式化模型，用于定义和评估事务排序与区块级公平性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不违反协议规则的前提下，诚实的验证者在追求利润时，能在多大程度上操纵PoA区块链中的事务排序？
• RQ2 PoA协议中的区块领导者轮换机制如何被利用以操纵密封优先级与最终性顺序？
• RQ3 此类秩序操纵攻击在真实世界中对主要PoA区块链造成的金融暴露程度如何？
• RQ4 在现实操作假设下，是否无需修改协议或破坏节点完整性即可发动这些攻击？
• RQ5 现有PoA实现中不公平性的根本原因是什么？如何通过代码级别的修复加以缓解？

主要发现

• 本文识别出两种新型的秩序操纵攻击——事务不公平与区块不公平——它们利用了PoA对诚实但有利可图的验证者的依赖。
• 这些攻击在主要PoA实现（如Aura和Clique）中均有效，且无需共谋或协议变更。
• 截至2021年11月，受这些攻击影响的PoA系统市值最高可达6810.87亿美元。
• 事务不公平攻击允许攻击者重新排序事务，以实现前序交易或延迟特定操作，从而破坏事务处理的公平性。
• 区块不公平攻击通过操纵领导者轮换逻辑，提高节点生成高优先级区块的概率，从而实现战略性地延迟或抢先交易。
• 作者基于对目标PoA实现的深入源代码分析，提供了具体且可实施的代码级修复建议，以解决这些漏洞。