[论文解读] Theoretical Bitcoin Attacks with less than Half of the Computational Power (draft)

Lear Bahack|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2013

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 4被引用 8

一句话总结

本文挑战了广泛接受的观点，即只要攻击者控制的网络算力低于50%，比特币就是安全的。它识别出两个理论缺陷——区块丢弃攻击与难度提升攻击——使得攻击者即使拥有不足一半的哈希算力，也能破坏区块链，从而动摇比特币设计中关于安全性的基础假设。

ABSTRACT

A widespread security claim of the Bitcoin system, presented in the original Bitcoin white-paper, states that the security of the system is guaranteed as long as there is no attacker in possession of half or more of the total computational power used to maintain the system. This claim, however, is proved based on theoretically flawed assumptions. In the paper we analyze two kinds of attacks based on two theoretical flaws: the Block Discarding Attack and the Difficulty Raising Attack. We argue that the current theoretical limit of attacker's fraction of total computational power essential for the security of the system is in a sense not

研究动机与目标

• 挑战主流观点，即只要没有单一实体控制网络50%或以上的算力，比特币就是安全的。
• 识别并分析比特币安全模型中此前被忽视的两个理论缺陷，这些缺陷使得在低于50%算力的情况下也能发动攻击。
• 证明当前攻击者成功的理论阈值不足以保证系统安全，即使攻击者所占算力低于一半。
• 对区块验证与难度调整机制中的设计漏洞如何被利用进行正式分析。

提出的方法

• 分析比特币协议的区块验证与难度调整机制，以识别理论上的薄弱环节。
• 建立区块丢弃攻击的模型，即攻击者通过丢弃有效区块来操纵区块链，制造链重组的机会。
• 形式化难度提升攻击，即攻击者人为提高难度目标，从而延缓诚实矿工的挖矿进度。
• 使用概率论与博弈论推理，评估在低于50%算力条件下这些攻击的可行性与成功概率。
• 将理论攻击模型与原始比特币白皮书中所作假设进行对比，揭示其中的不一致之处。
• 证明在攻击者算力低于50%的情况下，这两种攻击在现实网络条件下仍可成功。

实验结果

研究问题

• RQ1 攻击者是否能够通过协议中的理论缺陷，以低于总网络算力50%的算力成功破坏比特币区块链？
• RQ2 区块验证与难度调整机制中的哪些具体漏洞使得低于50%阈值的攻击成为可能？
• RQ3 区块丢弃攻击与难度提升攻击如何利用协议设计中的缺陷来破坏共识安全性？
• RQ4 原始比特币白皮书中所作的假设在多大程度上未能涵盖这些低于50%的攻击？
• RQ5 在识别出这些理论缺陷的前提下，成功发动攻击所需的最小算力比例实际是多少？

主要发现

• 区块丢弃攻击使攻击者能够通过丢弃有效区块来操纵链选择，从而在拥有不足50%网络哈希算力的情况下实现双重支付。
• 难度提升攻击使攻击者能够人为提高难度目标，减缓诚实矿工的挖矿进度，从而增加成功链重组的可能性。
• 这两种攻击均利用了比特币协议设计中的理论性弱点，尤其是在区块验证与难度调整机制的处理方式上。
• 分析表明，由于此前未被识别的攻击向量存在，比特币的安全性无法仅依赖于50%的阈值来保证，正如以往所假设的那样。
• 本文证明，当考虑这些特定攻击模型时，比特币的理论安全极限低于通常引用的50%阈值。
• 研究结果表明，当前比特币的安全模型可能存在根本性缺陷，因为即使攻击者仅拥有少数算力，攻击仍有可能成功。