[论文解读] On the Feasibility of Sybil Attacks in Shard-Based Permissionless Blockchains

Tayebeh Rajab, Mohammad Hossein Manshaei+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 27被引用 13

一句话总结

本文分析了在基于分片的无许可区块链中Sybil攻击的可行性，以Elastico为案例研究。本文建立了两种攻击类型——破坏共识协议（BCP）和生成虚假交易（GFT）的模型，并基于网络参数（如分片数量、容量和攻击者哈希算力）推导出攻击成功的概率。主要发现是，Elastico在仅拥有25%网络哈希算力的情况下即易受Sybil攻击。

ABSTRACT

Bitcoin's single leader consensus protocol (Nakamoto consensus) suffers from significant transaction throughput and network scalability issues due to the computational requirements of it Proof-of-Work (PoW) based leader selection strategy. To overcome this, committee-based approaches (e.g., Elastico) that partition the outstanding transaction set into shards and (randomly) select multiple committees to process these transactions in parallel have been proposed and have become very popular. However, by design these committee or shard-based blockchain solutions are easily vulnerable to the Sybil attacks, where an adversary can easily compromise/manipulate the consensus protocol if it has enough computational power to generate multiple Sybil committee members (by generating multiple valid node identifiers). Despite the straightforward nature of these attacks, they have not been systematically analyzed. In this paper, we fill this research gap by modelling and analyzing Sybil attacks in a representative and popular shard-based protocol called Elastico. We show that the PoW technique used for identifier or ID generation in the initial phase of the protocol is vulnerable to Sybil attacks, and a node with high hash-power can generate enough Sybil IDs to successfully compromise Elastico. We analytically derive conditions for two different categories of Sybil attacks and perform numerical simulations to validate our theoretical results under different network and protocol parameters.

研究动机与目标

• 研究基于分片的无许可区块链（特别是Elastico）对Sybil攻击的脆弱性。
• 建立并量化两种Sybil攻击类型：BCP（通过控制分片内超多数破坏共识）和GFT（将虚假交易插入最终区块）。
• 分析系统参数（如分片数量、分片容量和攻击者哈希算力）对攻击成功概率的影响。
• 通过在不同网络和协议配置下进行数值模拟，验证理论模型。
• 为基于分片的区块链系统提供缓解Sybil攻击的设计指南。

提出的方法

• 将Elastico基于PoW的ID生成机制建模为Sybil节点的攻击面。
• 定义两类攻击：BCP（通过在分片中控制超多数来破坏共识）和GFT（将无效交易注入最终区块）。
• 利用超几何分布和二项尾部不等式，推导出成功实施BCP和GFT攻击的概率的解析表达式。
• 通过数值模拟，在不同分片数、容量和攻击者哈希算力配置下验证理论攻击概率模型。
• 对每个分片中恶意节点分布施加边界，以在现实假设下估算攻击可行性。
• 评估系统参数（如分片数量（最多16个）、分片容量（≥600）和攻击者哈希算力（25%至66%））对攻击成功率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Elastico中，Sybil攻击者在单个分片内成功破坏共识的概率是多少（即BCP攻击）？
• RQ2 在Elastico中，Sybil攻击者成功将虚假交易注入最终区块链的概率是多少（即GFT攻击）？
• RQ3 系统参数（如分片数量、分片容量和攻击者哈希算力）如何影响Sybil攻击的成功概率？
• RQ4 在现实网络条件下，理论攻击概率模型能否通过数值模拟得到验证？
• RQ5 在何种条件下，可以有效缓解基于分片的无许可区块链中的Sybil攻击？

主要发现

• 当攻击者拥有网络总哈希算力的25%时，其在至少一个分片中破坏共识的概率为0.2。
• 当攻击者控制33%至53%的哈希算力时，BCP攻击的成功概率超过0.8。
• 对于GFT攻击，当网络最多有16个分片且每个分片容量至少为600时，攻击概率低于0.001。
• 当攻击者拥有超过56%的哈希算力时，BCP攻击的成功率可达100%，且在最优配置下GFT攻击概率仍低于0.001。
• 当攻击者控制超过66%的哈希算力时，BCP攻击的成功概率为1，而GFT攻击概率超过0.75。
• 结果表明，Elastico在中等至高攻击者哈希算力下对Sybil攻击缺乏鲁棒性，尤其在分片数量少且容量小时更为明显。