[论文解读] Metamorphic IOTA.

Gewu Bu, Wassim Hana+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文提出 E-IOTA，一种针对 IOTA 的参数化元变换式 tip 选择算法，可在保持 IOTA 安全性的同时减少随机游走次数，并维持 G-IOTA 在 tip 选择中的公平性与置信度。该研究首次对 IOTA 及其衍生协议针对关键攻击提供了形式化安全分析，为基于物联网的分布式账本提供了一种更高效且可证明安全的替代方案。

ABSTRACT

IOTA opened recently a new line of research in distributed ledgers area by targeting algorithms that ensure a high throughput for the transactions generated in IoT systems. Transactions are continuously appended to an acyclic structure called tangle and each new transaction selects as parents two existing transactions (called tips) that it approves. G-IOTA, a very recent improvement of IOTA, targets to protect tips left behind offering hence a good confidence level. However, this improvement had a cost: the use of an additional tip selection mechanism which may be critical in IoT systems since it needs additional energy consumption. In this paper we propose a new metamorphic algorithm for tip selection that offers the best guaranties of both IOTA and G-IOTA. Our contribution is two fold. First, we propose a parameterized algorithm, E-IOTA, for tip selection which targets to reduce the number of random walks executed in previous versions (IOTA and G-IOTA) while maintaining the same security guaranties as IOTA and the same confidence level and fairness with respect to tips selection as G-IOTA. Then we propose a formal analysis of the security guaranties offered by E-IOTA against various attacks mentioned in the original IOTA proposal (e.g. large weight attack, parasite chain attack and splitting attack). Interestingly, to the best of our knowledge this is the first formal analysis of the security guaranties of IOTA and its derivatives.

研究动机与目标

• 通过减少 IOTA 和 G-IOTA 中 tip 选择的随机游走次数，降低基于物联网的分布式账本中 tip 选择的高能耗问题。
• 在保持与 IOTA 相同安全保证的同时，实现与 G-IOTA 相同的置信度水平与公平性。
• 针对已知攻击（如寄生链攻击与大权重攻击）提出 IOTA 及其衍生协议的形式化安全分析。

提出的方法

• 提出 E-IOTA，一种参数化 tip 选择算法，可根据系统参数动态调整随机游走次数。
• 集成一种元变换机制，使 tip 选择行为自适应调整，以减少冗余随机游走，同时不损害安全性。
• 采用加权随机游走策略，其中选择某个 tip 的概率取决于其累积权重及其在 tangle 中的深度。
• 通过一个捕捉寄生链、大权重操纵与分裂攻击等攻击向量的模型，形式化安全属性。
• 基于累积权重与传播时间定义 tip 的置信度指标，以确保可靠性。
• 应用形式化验证技术，证明 E-IOTA 在与 IOTA 和 G-IOTA 相同的假设下可抵抗已知攻击。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 tip 选择中减少随机游走次数是否仍能维持原始 IOTA 协议的安全保证？
• RQ2 所提出的 E-IOTA 算法是否在降低计算开销的同时，仍保持 G-IOTA 的公平性与置信度水平？
• RQ3 与 IOTA 和 G-IOTA 相比，E-IOTA 在寄生链、大权重与分裂攻击方面提供了哪些形式化安全保证？
• RQ4 E-IOTA 中的参数化设计如何影响物联网环境中效率与安全性的权衡？
• RQ5 是否首次实现了对 IOTA 及其衍生协议安全属性的形式化验证？

主要发现

• E-IOTA 显著减少了 tip 选择所需的随机游走次数，同时保持了与原始 IOTA 协议相同的安全保证。
• 该算法在不增加额外机制（从而避免提升能耗）的前提下，实现了与 G-IOTA 相同的置信度与公平性。
• 形式化分析证实，E-IOTA 在与 IOTA 和 G-IOTA 相同的威胁模型下，可抵抗寄生链、大权重与分裂攻击。
• E-IOTA 的参数化设计实现了可调节的效率-安全性权衡，适用于资源受限的物联网环境。
• 本工作首次对 IOTA 及其衍生协议提供了形式化安全分析，为未来分布式账本协议的验证奠定了基础。