反51%攻击:哈佛MIT学者提出抗击双花新理论

如何解决小币种遭受51%攻击的问题呢,哈佛大学和MIT的研究者提出了他们的策略。

写在前面:历史上区块链世界曾多次发生51%攻击,而它们都发生在小币种的身上,而据哈佛大学和MIT的研究者表示,他们在观察到的40次重组攻击中,还看到了可能的反攻击案例,在2020年2月份,Bitcoin Gold区块链上疑似出现了攻击者与防御者的多轮对攻情况,对此,研究者提出了防御51%攻击的反击理论。

注:原论文作者 Daniel J. Moroz∗(哈佛大学),Daniel J. Aronof(MIT )、Neha Narula(MIT Media Lab)以及David C. Parkes(哈佛大学)

反51%攻击:哈佛MIT学者提出抗击双花新理论

(图片来自tuchong.com)

以下是译文:

比特币和其它工作量证明(PoW)加密货币的经济安全性,取决于重写区块链的成本。如果51%攻击在经济上是可行的,则攻击者可以向受害者发送一笔交易,发起攻击,然后双花同一笔币。中本聪(Satoshi Nakamoto)认为这种情况是不会发生的,因为大多数矿工会发现,诚实地遵守协议要比攻击区块链更有利可图。

而最近的研究表明,攻击加密货币的成本差异是非常大的,这取决于诸如算力的流动性,对币价的影响以及重写区块链所需时间等因素。在某些情况下,攻击甚至可能是免费的。截至2020年3月,对于像比特币这样的区块链,矿工们已经在挖矿设备上进行了大量的先期投资,并且他们不愿意把大比例算力拿出去出租,因此今天要对比特币发起攻击,其成本可能是非常高的然而,其它一些币种的情况则大为不同,市场上有足够可租用的算力,可供发起经济而高效的51%攻击,并且在现实当中,我们已经观察到攻击者对这些币种发起的双花攻击。使用NiceHash这样的算力市场,买卖双方可以轻松地进行对接。

现在,人们通常认为,低算力的币种(所属PoW算法类别中算力较低的币种),会因为算力租赁市场的存在而容易遭受廉价的51%攻击,并且它们是不安全的。

在最近发表的题为《针对双花攻击的反击》这一论文中,我们讨论了一种策略,以防止处于弱势的PoW币种遭受51%攻击:受害者可以发起反击。我们证明了受害者有能力在原始链上租用算力并进行挖矿,在发生攻击时赶超攻击者链,在平衡状态下这可以阻止攻击的发生。研究结果在以下假设下成立:(1)受害者遭受了中等程度的声誉损失,而攻击者则没有(例如,如果受到攻击,交易所可能会遭受负面声誉影响,而匿名攻击者则没有),以及(2)攻击的净成本随着时间的推移而增加(例如算力的上升等)。虽然在我们撰写这篇论文时,并没有证据能够确定现实世界中存在针对双花攻击的反攻情况,但我们最近确实观察到了这种可能。

反51%攻击:哈佛MIT学者提出抗击双花新理论

(上图显示了反攻游戏的三个阶段,绿色表示当前最重的公共链(即规范链),白色表示较小的分支链。最上面的阶段显示了一次51%攻击的开始,其中攻击者A向防御者D发送了一笔交易,但这笔交易是在一条替代链上,它的目的是使原始交易无效。第二个阶段显示了双花交易的揭示,其中攻击者链成为了最重链(规范链)。第三个阶段显示了防御者D反击的结果,在此过程中,D是在原链上进行的挖矿,并超过攻击者A的区块链。)2019年6月份,我们实现并运行了一个重组跟踪程序,该跟踪程序监控了23个目前最受欢迎的工作量证明(PoW)区块链。对于每一个币种,跟踪器都会检测并保存所有链顶端(chaintip)上的数据。截至目前,它已在Vertcoin、Litecoin Cash、Bitcoin Gold、Verge以及Hanacoin这些币种上观察到了40次至少六个区块深度的重组攻击。

关于Bitcoin Gold的重组攻击和反击

Bitcoin Gold(BTG)是于2017年10月24日从比特币分叉出来的,截至2020年3月10日,它的市值为1.68亿美元。Bitcoin Gold并没有使用比特币的SHA256算法,而是采用了ZHash抗ASIC算法,这意味着矿工可以使用GPU进行挖矿。与BTC不同,BTG每个区块都会进行难度调整。

然而,BTG遭受了多次双花攻击,其中最大规模的一次51%攻击发生在2018年5月份,当时有388,000 BTG(当时约为1800万美元)被偷。而在2020年1月和2月份,BTG再次受到了双花攻击。通过重组跟踪器,我们可以在2020年1月23日-2020年2月5日之间观察到8次BTG重组。其中有4次是有双花的,涉及到12,858 BTG(约合15万美元)。

在2月份,我们注意到,BTG链上似乎上演了一场了反击游戏。一开始,这只是一次典型的重组攻击,其中一笔交易在一次双花中被逆转,但随后又出现了双花被逆转的情况,这使得原始交易再次有效。2月8日,攻击者和反击者在2.5小时内来回进行了4次大战。最终,原来的区块链被修复,所以这笔双花并没有成功。2月9日和2月11日,我们观察到了称之为“one-shot”的反击:攻击者制造了一次重组,而防御者只进行了一次反击,就恢复了原来的区块链。

在2月8日发生的反击游戏中,双方争夺的是两笔交易757 和d5f(译者注:tx的缩写),攻击者将它们替换为交易50d 和f38。AbC和AYP(注:地址的缩写)这两个地址总共被偷了4390 BTG(约合44000美元),这些币被发送到了GVe和GYz。最终的重组深度为23,这将为矿工带来大约290 BTG(3000美元)的区块奖励,约双花总收入的7%(关于更多详细,请参阅此处)。注意,在每一对交易中,第二笔交易花费了第一笔交易的输出,即如果第一笔交易由于双花而无效,则第二笔交易也将无效。因此,我们可以把它们视为一个单元。两个单元有相同的输入,但有不同的输出,我们将其解释为被盗的地址。

接下来,我们将说明2月8日发生的反击游戏的挖矿动态。你可以在这里看到来自两条链的带时间戳的区块列表。我们称这些地址为“防御者”,当原始链不是工作量最大的区块链时,“防御者”将在原始链上获得挖矿奖励。而那些一直跟随工作量最多链(即从未在少数分支链上挖矿)的矿工,则被认为是“旁观者”

我们的节点在在UTC时间06:56开始观察到了4次重组。第一次重组将原区块链的最后9个区块替换为9个新区块。在新的区块链中,每个区块中都有两个攻击者地址:GKGUq2p和Gh46Jw1,并且在分叉区块(block 619935)之后的第一个新区块中有双花交易。然后,在UTC时间07:35,我们的节点观察到了另一次重组,其在原始链上又挖了另外4个区块(难度更大)。而防御者则是GbWi6y7和GSsjeTZ,双方反复进行了交战,之后,攻击者以放弃告终,并在UTC 时间08:58挖了最后一个区块。根据区块中的时间戳以及节点观察到的重组世界,我们对时间轴的最佳猜测如下:

  1. 4:04 ,攻击者开始从619934高度的区块挖矿,并在高度619935挖取了一个区块,并进行了双花;
  2. 6:55,攻击者挖了9个区块,其所在链超过了现有链;
  3. 6:56,我们的节点观察到并重新定位到攻击者的区块链。“旁观者”矿工切换至攻击者的区块链,并将其延长了2个区块;
  4. 7:20 防御者开始挖矿,并延长原始链上未被攻击的区块(区块高度619943);
  5. 7:33 防御者在挖到4个新区块后超过攻击者的区块链;
  6. 7:35 我们的节点观察到并重新定位到防御链。“旁观者”矿工切换到防守链;
  7. 7:53 攻击者再次开始挖矿,扩展自己的攻击链,该链有两个附加的“旁观者”区块;
  8. 8:22 防御者在12个区块之后停止挖矿;
  9. 8:58 攻击者在超过防御者11个区块之后,也停止了挖矿;
  10. 9:00 我们的节点观察到并切换至攻击者更深的重组链;
  11. 9:14 防御者再次开始挖矿;
  12.  9:27 防御者在原始链超过攻击者链后,继续挖矿;
  13.  9:28 我们的节点重新定位到防御者的重链上;
  14.  10:20 防御者减少投入算力;
  15.  12:15 防御者停止挖矿;

算力从何而来?

我们没有确凿的证据能够证明观察到的任何BTG重组,其算力是否来自于Nicehash。这种不确定性,是由于在没有主动攻击的情况下,BTG上的出现的价格和可用算力的大幅波动造成的。

这与我们最近在Vertcoin(VTC)双花攻击中观察到的Lyra2REv3(从Nicehash市场租用了算力)形成了对比,在这次攻击中,我们清楚地看到算力的价格在攻击期间出现了飙升,而攻击后又回到了基线。

算力可用性和价格的峰值频率,使得我们很难将看到的峰值归因于攻击。然而,市场上有足够的ZHash算力可被用于执行BTG攻击,并且存在与检测到的重组事件一致的算力峰值。

反51%攻击:哈佛MIT学者提出抗击双花新理论

检测到的重组期间Nicehash ZHash市场总结,红线表示重组事件的时间

攻击理论

实际上,攻击可通过在Bitcoin Core节点上调用一个命令来完成,因此攻击者可能不需要编写任何新代码。

例如,攻击者可能执行了以下操作:

  1. 使用Bitcoin Core节点进行一笔支付,并等到它被区块纳入;
  2. 在包含支付交易的原始链中区块调用invalidateblock(在高度619935);
  3. 断开与对等式网络的连接,然后清除mempool以删除现有的支付交易;
  4. 在其钱包上进行rescan(重新扫描)工作,使原始支付交易中使用的输出可再次使用,并生成一笔新的交易,将相同的输出花费到新的目的地输出,这将和原始交易发生冲突;
  5. 正常挖矿,直到其所在链比原始链有更多的工作量,然后重新连接到对等网络,以通知其他节点,让它们参与这个替代链;

而防御者只需在包含双花交易的攻击者区块上调用invalidateblock,这将导致其节点继续在原始链上挖矿,而不是重新定位到攻击者链。

有可能在最后两个案例中,攻击者在看到受害者正在反击时立即停止了攻击。也许攻击者知道,如果受害者能够进行反击,就不值得去和他们对战。在几乎所有的区块对战中,防御者的地址都是GSsjeTZ。在2月1日之前,这个地址从未使用过,而在反击战发生后,其也没有被用于挖矿。

然而,这可能不是一个故意的复仇游戏。在这里我们讨论下其他的可能性。

可能性1 :测试

一种解释是,所谓的反击实际并不是反击,而是由一个试图测试反击软件的实体模拟的。大家可以想象,一家交易所、商家或者有核心开发者已经编写了一个基础设施,以便在发生深度重组时自动反击,他们希望测试自己的软件是否能够正常工作。这可以解释为什么在2月6日发生的反击没有任何双花。

可能性2 :矿工之战

矿工们可能一直在互相进行反击,这不是因为其中一人或两人有兴趣追回双花的资金,而是为了偷窃,然后追回区块奖励。再一次,2月6日的反击没有双花的事实,也支持了这一理论。

可能性3 :网络分裂

这可能是Bitcoin Gold中存在的一个短暂、重复发生的网络分裂。有可能在同一时间,某个客户端钱包广播了一笔交易,该交易将花费的输出加倍到分裂链的另一端。我们不知道是否有Bitcoin Gold钱包软件能做到这一点。区块时间戳与此是不一致的,这表明矿工是积极在挖矿的,然后停止了几次。而时间戳也存在可能是伪造的。攻击者和防御者的地址,在攻击前后,都没有再被使用过。

可能性4: 软件漏洞

有可能是因为参与挖矿的软件存在某种漏洞,导致他们无法在最长链上挖矿,或者他们意外地调用了invalidateblock

可能性5: 偶然的机会

另一种可能,则是两个大型矿工恰好在同一时间发现了区块,这种分裂的概率是很低的。这似乎不太可信,因为时间戳没有反映这一点,并且最长的重组是23个区块;

结论

算力市场的日益发展,可能会破坏工作量证明(PoW)加密货币的安全性。然而,尽管流动算力市场的存在表明一条弱链是容易受到攻击的,但受害者反击的可能,在平衡状态下有可能阻止攻击。如果这种力量的平衡,足以保护区块链,那么这就提出了一个问题,即需要多少工作量才能防止攻击?

在这项研究工作中,我们只考虑了一个理性的攻击者,而如果存在非理性的攻击者,其可能不在乎在51%攻击中损失的金钱,这使得他们要比潜在的反击者更具有优势。对于这样的破坏者来说,51%攻击的成本可能仍然是重要的威慑力量,正如今天比特币所拥有的那样。

致谢:我们要感谢《针对双花攻击的反击》论文的共同作者Dan Aronoff和David Parkes。也感谢Tadge Dryja、Madars Virza和Gert Jaap Glasbergen对这项工作的有益反馈。

作者:James Lovejoy, Dan Moroz, Neha Narula

原文:https://medium.com/mit-media-lab-digital-currency-initiative/reorgs-on-bitcoin-gold-counterattacks-in-the-wild-da7e2b797c21
作者:James Lovejoy等人
编译:洒脱喜

原文:以上内容转载自"巴比特"  查看原文

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