Makala haya yanatanguliza na kuchambua Mshambulio wa Usawa, udukizi mpya wa usalama unaolenga itifaki za upatanishi za blockchain za Uthibitisho wa Kazi (PoW), kwa kuzingatia hasa Ethereum na itifaki yake ya GHOST. Tofauti na mashambulio ya jadi ya 51% yanayohitaji nguvu kubwa ya kompyuta, Mshambulio wa Usawa unatumia ucheleweshaji wa kimkakati wa mawasiliano ya mtandao kati ya vikundi vidogo vya nodi ili kuunda migawanyiko ya muda mfupi, na kuwezesha matumizi mara mbili ya pesa kwa nguvu ndogo sana ya uchimbaji. Utafiti huu unatoa mfano wa kinadharia wa uwezekano na uthibitishaji wa majaribio kwa kutumia usanidi unaoiga kituo cha majaribio cha blockchain cha ushirikiano wa kifedha wa R3.
Utafiti mkuu ni kwamba blockchain za PoW, hasa zile zinazotumia utaratibu wa kuhesabu vizazi vya bloki (uncle-block) kama GHOST, huenda zisifai kabisa kwa mazingira ya ushirikiano au minyororo ya kibinafsi ambapo muundo wa mtandao na ucheleweshaji unaweza kudhibitiwa au kutabirika.
Mshambulio huu unatumia mkakati wa kutatua mgawanyiko (fork) wa blockchain kwa kuunda hali ya bandia ya mtandao inayosababisha minyororo inayoshindana yenye uzito sawa.
Mshambulizi hugawanya mtandao katika (angalau) vikundi viwili vidogo vilivyo na nguvu ya jumla ya uchimbaji iliyokaribiana. Kwa kuchelewesha ujumbe kwa makusudi kati ya vikundi hivi (lakini si ndani yao), mshambulizi huwaruhusu kuchimba kwenye minyororo tofauti. Kisha mshambulizi hukazia nguvu yake ya uchimbaji kwenye kikundi kimoja (kikundi cha bloki), huku akitoa manunuzi anayokusudia kuyafuta katika kikundi kingine (kikundi cha manunuzi).
Makala yanaanzisha mfano rasmi wa uwezekano ili kubainisha masharti ya mshambulio unaofanikiwa.
Uchambuzi hutumia vikomo vya Chernoff kuiga mchakato wa uchimbaji kama mchakato wa Poisson. Kigezo muhimu ni muda wa ucheleweshaji ($\Delta$) ambayo mshambulizi lazima kuishikilia, ikilinganishwa na sehemu ya nguvu ya uchimbaji ya mshambulizi ($\alpha$) na nguvu ya mtandao mzima.
Uwezekano kwamba tawi la mshambulizi katika kikundi kilichotengwa kuwa mzito kuliko tawi la kikundi kingine umetolewa. Ili kufanikisha matumizi mara mbili ya pesa kwa uwezekano mkubwa, ucheleweshaji unaohitajika $\Delta$ unahusiana kinyume na nguvu ya uchimbaji ya mshambulizi. Mfano huu unaonyesha usawazishaji: nguvu ndogo ya mshambulizi inahitaji ucheleweshaji mrefu wa mtandao. Usemi rahisi wa uongozi unaotarajiwa $L$ ambayo mshambulizi anaweza kupata katika muda $t$ kwa nguvu ya hash $q$ dhidi ya nguvu mzima $p$ unahusiana na kiwango cha mchakato wa Poisson: $\lambda = \frac{p}{\tau}$, ambapo $\tau$ ni muda wa bloki. Maendeleo ya mshambulizi ni tofauti nasibu inayowakilishwa na mchakato huu.
Mfano wa kinadharia ulijaribiwa katika mazingira ya vitendo yaliyofanana na ushirikiano wa R3.
Mnyororo wa kibinafsi wa Ethereum ulianzishwa katika mfumo uliosambazwa unaoiga hali ya ushirikiano wa R3 (takriban benki 11 zinazoshiriki). Ucheleweshaji wa mtandao ulianzishwa kwa makusudi kati ya vikundi vidogo vya nodi ili kuiga mshambulio huu.
Muda wa Mshambulio: Mashine moja iliweza kutekeleza kwa mafanikio Mshambulio wa Usawa dhidi ya ushirikiano wa R3 ulioigwa kwa takriban dakika 20.
Maana: Hii inaonyesha kwamba mshambulio huu sio wa kinadharia tu, bali unawezekana kivitendo kwa rasilimali ndogo katika mazingira ya ushirikiano, ambapo nguvu ya jumla ya hash ya mtandao ni ndogo ikilinganishwa na mitandao kuu ya umma.
Maelezo ya Chati (Ya Kufikiria): Chati ya mstari ingeonyesha uwezekano wa kufanikiwa kwa matumizi mara mbili ya pesa (mhimili wa Y) ukiongezeka kwa kasi kadiri muda unaodhibitiwa na mshambulizi wa ucheleweshaji (mhimili wa X) unavyoongezeka, hata kwa thamani ndogo za nguvu ya uchimbaji ya mshambulizi (zinazowakilishwa na mistari tofauti). Mkunjo wa mshambulizi wa 20% ungefikia uwezekano mkubwa haraka zaidi kuliko wa mshambulizi wa 5%, lakini wote wawili mwishowe wanafanikiwa ikiwa kuna ucheleweshaji wa kutosha.
Ingawa zote mbili zinadharauliwa na mashambulio ya kiwango cha mtandao, makala yanapendekeza kwamba itifaki ya GHOST ya Ethereum, ambayo inajumuisha vizazi vya bloki katika mahesabu ya uzito, inaweza kwa kushangaza kuunda eneo tofauti la shambulio. Mshambulio wa Usawa hasa unabadilisha kanuni ya "mti mzito zaidi" kwa kuunda miti midogo inayoshindana yenye usawa kupitia kutengwa. Kanuni ya mnyororo mrefu zaidi ya Bitcoin inadharauliwa na mashambulio tofauti ya ucheleweshaji (k.m., uchimbaji wa kujipendelea), lakini Mshambulio wa Usawa umetungwa kuzunguka utaratibu wa GHOST.
Hitimisho kubwa la makala ni kwamba itifaki za kawaida za PoW hazifai kwa blockchain za ushirikiano. Mashirika ya ushirikiano yana washiriki wachache, wanaojulikana, na kufanya mashambulio ya kugawanya mtandao kuwa ya kuwaelekea zaidi kuliko kwenye mtandao wa kimataifa wa Bitcoin. Nguvu ndogo ya jumla ya hash pia inapunguza gharama ya kupata sehemu muhimu yake.
Uelewa wa Msingi: Natoli na Gramoli wamefunua kanuni muhimu, ambayo mara nyingi hupuuzwa katika usalama wa blockchain: usalama wa upatanishi ni kazi ya uthibitisho wa kisiri na usawazishaji wa mtandao. Mshambulio wa Usawa hauhusu kuvunja SHA-256 au Ethash; bali ni kuvunja kwa uangalifu dhana ya "mtandao" katika mifano ya usawazishaji wa sehemu. Hii inahamisha tishio kutoka kwa safu ya kompyuta (nguvu ya hash) hadi safu ya mtandao (uenezi, waandaaji wa huduma za mtandao), mpaka ambao waendeshaji wengi wa ushirikiano hawajaandaliwa vizuri kuulinda. Inakumbusha masomo kutoka kwa mifumo ya kawaida iliyosambazwa kama matokeo ya kutowezekana kwa FLP, ikithibitisha kwamba upatanishi ni dhaifu chini ya hali ya kutolingana.
Mtiririko wa Mantiki: Hoja hii ni nadhifu kwa urahisi wake. 1) Usalama wa PoW unategemea mnyororo mmoja unaokua kwa kasi. 2) GHOST inabadilisha hii kuwa mnyororo "mzito zaidi", ukijumuisha vizazi vya bloki ili kuboresha uwezo wa usafirishaji. 3) Kwa kuunda migawanyiko iliyotengwa yenye nguvu sawa, mshambulizi hulazimisha uundaji wa miti miwili midogo mizito, halali. 4) Wakati wa kuunganishwa tena, kanuni ya GHOST inakuwa njia ya shambulio, sio ulinzi. Hitilafu ya mantiki inayotumiwa ni kwamba GHOST inadhania uzito unaonyesha kazi halali, lakini katika mtandao uliogawanywa, uzito unaonyesha kazi iliyotengwa, ambayo inaweza kubadilishwa.
Nguvu na Mapungufu: Nguvu ya makala ni uthibitishaji wake wa vitendo kwenye mnyororo wa kibinafsi wa Ethereum, ukiondoka zaidi ya nadharia. Matumizi ya vikomo vya Chernoff yanatoa usahihi wa kihisabati. Hata hivyo, uchambuzi huu una hitilafu ya kawaida katika makala za kitaaluma za usalama: unadhania mgawanyiko wa karibu kamili, endelevu wa mtandao. Katika mitandao halisi ya biashara yenye njia nyingi za kimwili na kimantiki, kudumisha mgawanyiko safi kwa dakika 20+ dhidi ya ufuatiliaji wa wahandisi wa mtandao sio jambo rahisi. Mshambulio pia unahitaji mshambulizi kutambua na kulenga vikundi vidogo vilivyo na nguvu ya hash iliyokaribiana hasa, ambayo inaweza kuhitaji ujuzi wa ndani katika ushirikiano.
Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa biashara yoyote inayozingatia mnyororo wa ushirikiano unaotegemea PoW, makala haya ni bendera nyekundu ya lazima. Ujumbe wa haraka ni kuacha PoW safi kwa mazingira ya ushirikiano. Mbadala kama Uthibitisho wa Mamlaka (PoA), Uvumilivu wa Kivitendo wa Hitilafu ya Byzantine (PBFT), au matoleo yake (kama Istanbul BFT) yana ukinzani wa asili zaidi kwani usalama wao unatokana na utambulisho na usafirishaji wa ujumbe, sio nguvu ya hash na bahati ya mtandao. Kwa minyororo ya umma kama Ethereum, suluhisho liko katika miundombinu thabiti, isiyo na kituo kimoja cha mtandao (kama Discv5 ya Ethereum) na uenezaji wa haraka wa bloki (kama Graphene). Ufuatiliaji wa mtandao kwa ucheleweshaji usio wa kawaida kati ya vikundi vikuu vya uchimbaji unapaswa kuwa mazoezi ya kawaida ya usalama. Utafiti huu, pamoja na kazi ya awali kuhusu mashambulio ya kupatwa kwa jua (eclipse attacks) (Heilman et al.) na mashambulio ya rushwa (bribery attacks) (Judmayer et al.), huunda ushahidi kwamba upatanishi wa safu-1 lazima ubuniwe kwa kuzingatia miundo ya wazi ya mtandao wa adui.
Mchakato wa uchimbaji kwa nodi mzima na mshambulizi unaigwa kama michakato huru ya Poisson yenye viwango $\lambda_h$ na $\lambda_a$, mtawalia, ambapo $\lambda = \text{nguvu ya hash} / \text{muda wa bloki}$. Acha $Q(t)$ na $H(t)$ ziwe idadi ya bloki zilizochimbwa na mshambulizi na mtandao mzima katika muda $t$. Matarajio yao ni $\mathbb{E}[Q(t)] = \lambda_a t$ na $\mathbb{E}[H(t)] = \lambda_h t$.
Lengo la mshambulizi wakati wa kipindi cha ucheleweshaji $\Delta$ ni kuanzisha uongozi $z$ katika mgawanyiko mmoja. Uwezekano kwamba mnyororo wa mshambulizi katika mgawanyiko B uwe angalau $k$ bloki mbele ya mnyororo mzima katika mgawanyiko A unaweza kufungwa kwa kutumia usawa wa mkia kwa usambazaji wa Poisson. Hali ya kufanikiwa kwa mshambulio wakati mitandao inapounganishwa inahusisha kulinganisha uzito wa jumla (ukijumuisha vizazi vya bloki) wa minyororo miwili inayoshindana. Makala yanatoa hali inayounganisha $\Delta$, $\alpha$ (sehemu ya mshambulizi ya nguvu ya jumla), na uwezekano unaotaka wa kufanikiwa.
Hali: Blockchain ya ushirikiano kwa fedha za biashara na benki 10, kila moja ikiendeshwa na nodi moja ya uchimbaji yenye nguvu sawa.
Utumiaji wa Mfumo wa Mshambulio:
Mfano huu usio na msimbo unaonyesha hatua za mshambulio kwa kutumia hali halisi ya biashara.