[论文解读] Twisted by the Pools: Detection of Selfish Anomalies in Proof-of-Work Mining

Shengnan Li, Carlo Campajola+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用 4

一句话总结

本文提出一种统计方法，通过分析矿工区块发现间隔中的异常现象，检测工作量证明加密货币中的自私挖矿攻击，并结合基于启发式的地址聚类技术识别协调行为。该研究首次提供了在门罗币（Monacoin）、比特币现金（Bitcoin Cash）和以太坊（Ethereum）中存在自私挖矿的实证证据，揭示了门罗币中存在通过预先共享已挖区块信息来协调区块隐瞒的挖矿卡特尔。

ABSTRACT

The core of many cryptocurrencies is the decentralised validation network operating on proof-of-work technology. In these systems, validation is done by so-called miners who can digitally sign blocks once they solve a computationally-hard problem. Conventional wisdom generally considers this protocol as secure and stable as miners are incentivised to follow the behaviour of the majority. However, whether some strategic mining behaviours occur in practice is still a major concern. In this paper we target this question by focusing on a security threat: a selfish mining attack in which malicious miners deviate from protocol by not immediately revealing their newly mined blocks. We propose a statistical test to analyse each miner's behaviour in five popular cryptocurrencies: Bitcoin, Litecoin, Monacoin, Ethereum and Bitcoin Cash. Our method is based on the realisation that selfish mining behaviour will cause identifiable anomalies in the statistics of miner's successive blocks discovery. Secondly, we apply heuristics-based address clustering to improve the detectability of this kind of behaviour. We find a marked presence of abnormal miners in Monacoin and Bitcoin Cash, and, to a lesser extent, in Ethereum. Finally, we extend our method to detect coordinated selfish mining attacks, finding mining cartels in Monacoin where miners might secretly share information about newly mined blocks in advance. Our analysis contributes to the research on security in cryptocurrency systems by providing the first empirical evidence that the aforementioned strategic mining behaviours do take place in practice.

研究动机与目标

• 调查自私挖矿——即矿工隐瞒区块以获取战略优势——是否在现实世界的工作量证明加密货币中实际发生。
• 开发一种统计检验方法，识别表明自私挖矿行为的异常区块发现模式。
• 通过应用基于启发式的地址聚类技术，关联交易并识别潜在的矿池或协调行为者，以提高检测准确性。
• 不仅检测单个自私矿工，还检测矿工之间合谋的协调攻击。
• 提供真实区块链网络中战略挖矿行为的实证证据，挑战在诚实参与下协议稳定的假设。

提出的方法

• 该方法利用区块间时间间隔检测矿工区块发现模式中的统计异常，因为自私挖矿会导致非泊松分布、聚集的区块时间。
• 对每个矿工的区块发现序列应用统计假设检验，识别其与诚实挖矿下预期的指数分布之间的偏离。
• 使用基于启发式的地址聚类方法（H₁、H₂、Hₚ）将多个地址归为同一实体，从而识别矿池化或协调挖矿行为。
• 该方法应用于五个工作量证明区块链：比特币（Bitcoin）、莱特币（Litecoin）、门罗币（Monacoin）、以太坊（Ethereum）和比特币现金（Bitcoin Cash），并根据各链的区块时间调整时间窗口，以确保采样一致性。
• 通过识别具有同步区块隐瞒模式和共享地址聚类的矿工集群，将方法扩展至检测协调的自私挖矿。
• 基于各加密货币自上线至2020年底的完整链上数据进行实证分析，使用已标记的矿池名称或矿工地址。

实验结果

研究问题

• RQ1 自私挖矿行为——即矿工隐瞒区块以获取战略优势——是否在主要工作量证明加密货币中真实发生？
• RQ2 区块发现间隔中的统计异常是否能可靠检测自私挖矿，而无需依赖外部信任或标注数据？
• RQ3 基于启发式的地址聚类技术在多大程度上可提升对协调挖矿行为的检测能力？
• RQ4 是否存在可通过区块隐瞒行为在真实区块链网络中检测到的挖矿卡特尔？
• RQ5 自私挖矿攻击在不同加密货币中有多普遍，特别是在区块时间较短或难度调整不稳定的加密货币中？

主要发现

• 本研究首次提供了在真实世界工作量证明区块链中存在自私挖矿攻击的实证证据，门罗币（Monacoin）、比特币现金（Bitcoin Cash）和以太坊（Ethereum）中均检测到异常现象。
• 门罗币（Monacoin）表现出显著的异常矿工存在，证据表明存在多个矿工通过预先共享新挖区块信息来协调自私挖矿攻击。
• 在比特币现金（Bitcoin Cash）中，检测到具有显著统计可信度的自私挖矿行为，与此前关于其因紧急难度调整（EDA）算法导致不稳定的报告一致。
• 以太坊（Ethereum）显示出可检测的自私挖矿模式，尽管其显著性低于门罗币（Monacoin）和比特币现金（Bitcoin Cash），可能归因于其较短的区块时间与高网络活跃度。
• 地址聚类技术成功识别出协同行动的矿工群体，尤其在门罗币（Monacoin）中，挖矿卡特尔似乎通过预先共享区块信息运作。
• 统计检验在所有五个分析的区块链中成功识别出异常矿工，检测率最高出现在门罗币（Monacoin）和比特币现金（Bitcoin Cash），其矿池动态与协议不稳定性放大了战略行为。