[论文解读] Profitable Double-Spending Attacks

Jaehyuk Jang, Heung-No Lee|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 24被引用 9

一句话总结

本文提出了一种新颖的概率框架，用于分析攻击者仅使用区块链网络不足50%算力时实施双花（DS）攻击的盈利能力。通过推导有限时间内的攻击概率模型，作者证明了在任何算力比例下，双花攻击都可能盈利，建立了使此类攻击在经济上可行的交易价值的必要且充分条件——令人惊讶的是，即使攻击者算力低于50%，只要交易规模与网络参数匹配，仍可获利。

ABSTRACT

Our aim in this paper is to investigate the profitability of double-spending (DS) attacks that manipulate an a priori mined transaction in a blockchain. It was well understood that a successful DS attack is established when the proportion of computing power an attacker possesses is higher than that the honest network does. What is not yet well understood is how threatening a DS attack with less than 50% computing power used can be. Namely, DS attacks at any proportion can be of a threat as long as the chance to making a good profit exists. Profit is obtained when the revenue from making a successful DS attack is greater than the cost of carrying out one. We have developed a novel probability theory for calculating a finite time attack probability. This can be used to size up attack resources needed to obtain the profit. The results enable us to derive a sufficient and necessary condition on the value of a transaction targeted by a DS attack. Our result is quite surprising: we theoretically show that DS attacks at any proportion of computing power can be made profitable. Given one's transaction size, the results can also be used to assess the risk of a DS attack. An example of the attack resources is provided for the BitcoinCash network.

研究动机与目标

• 研究当攻击者拥有少于网络50%算力时，双花攻击的盈利能力。
• 确定在考虑攻击成本与收益的情况下，此类攻击产生净收益的条件。
• 开发一个有限时间内的概率模型，以准确估计在给定时间窗口内成功双花的可能性。
• 推导出使任何攻击者算力比例下攻击均盈利的交易价值的必要且充分条件。
• 通过比特币现金（BitcoinCash）网络作为案例研究，对攻击的可行性及所需资源进行实际评估。

提出的方法

• 作者开发了一套新的概率理论，用于计算有限时间内双花攻击的成功概率，同时考虑区块挖矿动态与时间约束。
• 他们将攻击者的挖矿过程建模为攻击者链与诚实网络链之间的随机竞赛，采用负二项分布和泊松过程进行描述。
• 该方法结合了交易确认深度与攻击者的相对算力，以计算在目标时间内追上主链的概率。
• 通过将成功双花的预期收益与构建攻击链的计算成本进行比较，开展成本-收益分析。
• 该框架使能够推导出使攻击在给定攻击者算力比例下盈利的阈值交易价值。
• 提供了MATLAB代码以复现结果，确保模型的可复现性与实际应用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当攻击者控制的网络算力不足50%时，双花攻击是否仍可能盈利？
• RQ2 在给定攻击者算力比例下，使双花攻击实现净盈利所需的最低交易价值是多少？
• RQ3 双花攻击在有限时间内的成功概率如何依赖于攻击者的相对算力和确认深度？
• RQ4 对于给定的交易规模，为实现特定的成功概率，所需攻击资源（如算力、时间）是什么？
• RQ5 如何在现实世界中的区块链系统（如比特币现金）中评估双花攻击的盈利能力？

主要发现

• 本文理论证明了，只要交易价值超过推导出的阈值，即使攻击者算力低于50%，双花攻击在任何算力比例下都可能盈利。
• 推导出了确保盈利的交易价值的必要且充分条件，该条件取决于攻击者的算力比例与确认深度。
• 有限时间攻击概率模型能够精确估计在指定时间窗口内攻击成功的可能性，优于以往的渐近近似方法。
• 对于比特币现金网络，本研究提供了实现特定交易规模90%成功概率所需攻击资源的具体示例。
• 结果表明，即使攻击者算力较低，只要交易价值相对于挖矿成本足够高，盈利攻击仍具可行性。
• 该框架表明，盈利能力不仅取决于计算主导地位，还与交易规模和确认时间密切相关。