Bu makale, öncelikle Ethereum ve onun GHOST protokolüne odaklanarak, İş İspatı (PoW) blokzincir mutabakat protokollerini hedef alan yeni bir güvenlik sömürüsü olan Denge Saldırısı'nı tanıtmakta ve analiz etmektedir. Ezici hesaplama gücü gerektiren geleneksel %51 saldırılarının aksine, Denge Saldırısı, düğüm alt grupları arasındaki stratejik ağ iletişim gecikmelerinden yararlanarak geçici bölümlemeler oluşturur ve çok daha düşük madencilik gücüyle çift harcamaya olanak tanır. Araştırma, hem teorik bir olasılık modeli hem de R3 finans konsorsiyumunun blokzincir test ortamını yansıtan bir kurulum kullanılarak deneysel doğrulama sunmaktadır.
Temel bulgu, özellikle GHOST gibi amca-blok (uncle-block) muhasebe mekanizmalarını kullanan PoW blokzincirlerinin, ağ topolojisinin ve gecikmenin manipüle edilebildiği veya tahmin edilebildiği konsorsiyum veya özel zincir ortamları için temel olarak uygun olmayabileceğidir.
Saldırı, benzer ağırlıkta rekabet eden zincirlere yol açan ağ koşullarını yapay olarak yaratarak blokzincirin çatallanma (fork) çözümleme stratejisini sömürür.
Saldırgan, ağı kabaca dengeli toplam madencilik gücüne sahip (en az) iki alt gruba böler. Bu alt gruplar arasındaki mesajları seçici olarak geciktirerek (ancak gruplar içinde değil), saldırgan onların ayrı zincirler üzerinde madencilik yapmasına izin verir. Saldırgan daha sonra kendi madencilik gücünü bir alt gruba (blok alt grubu) odaklarken, iptal etmeyi planladığı işlemleri diğer alt grupta (işlem alt grubu) yayınlar.
Makale, başarılı bir saldırı için koşulları belirlemek amacıyla resmi bir olasılık modeli oluşturur.
Analiz, madencilik sürecini bir Poisson süreci olarak modellemek için Chernoff sınırlarını kullanır. Anahtar değişken, saldırganın sürdürmesi gereken gecikme süresi ($\Delta$) ile saldırganın madencilik gücü oranı ($\alpha$) ve dürüst ağın gücüdür.
Saldırganın izole alt gruptaki dalının diğer alt grubun dalından daha ağır hale gelme olasılığı türetilmiştir. Yüksek olasılıkla başarılı bir çift harcama için gerekli gecikme $\Delta$, saldırganın madencilik gücü ile ters orantılıdır. Model şu dengeyi yakalar: daha düşük saldırgan gücü, daha uzun ağ gecikmesi gerektirir. Saldırganın $t$ zamanında $q$ hash gücü ile dürüst $p$ gücüne karşı kazanabileceği beklenen öncülük $L$ için basitleştirilmiş bir ifade, Poisson süreci oranı ile ilişkilidir: $\lambda = \frac{p}{\tau}$, burada $\tau$ blok süresidir. Saldırganın ilerlemesi, bu süreçle modellenen rastgele bir değişkendir.
Teorik model, R3 konsorsiyumu model alınarak pratik bir ortamda test edilmiştir.
R3 konsorsiyumunun koşullarını (yaklaşık 11 katılımcı banka) taklit eden dağıtık bir sistemde bir Ethereum özel zinciri dağıtıldı. Saldırıyı simüle etmek için düğüm alt grupları arasına yapay olarak ağ gecikmesi eklendi.
Saldırı Süresi: Tek bir makine, simüle edilmiş R3 konsorsiyumuna karşı Denge Saldırısı'nı yaklaşık 20 dakika içinde başarıyla gerçekleştirebildi.
Çıkarım: Bu, saldırının yalnızca teorik olmadığını, aynı zamanda toplam ağ hash gücünün halka açık ana ağlara kıyasla sınırlı olduğu bir konsorsiyum ortamında mütevazı kaynaklarla pratikte uygulanabilir olduğunu göstermektedir.
Grafik Açıklaması (Kavramsal): Bir çizgi grafiği, saldırganın kontrol ettiği gecikme süresi (X ekseni) arttıkça, çift harcama başarı olasılığının (Y ekseni) keskin bir şekilde yükseldiğini, hatta düşük saldırgan madencilik gücü değerleri için (farklı çizgilerle temsil edilen) bile bunu gösterecektir. %20'lik bir saldırgan için eğri, %5'lik bir saldırgandan çok daha hızlı yüksek olasılığa ulaşacak, ancak her ikisi de yeterli gecikme verildiğinde nihayetinde başarılı olacaktır.
Her ikisi de ağ seviyesi saldırılara karşı savunmasız olsa da, makale, ironik bir şekilde amca bloklarını ağırlık hesaplamalarına dahil eden Ethereum'un GHOST protokolünün farklı bir saldırı yüzeyi yaratabileceğini öne sürmektedir. Denge Saldırısı, özellikle izolasyon yoluyla dengeli, rekabet eden alt ağaçlar oluşturarak "en ağır alt ağaç" kuralını manipüle eder. Bitcoin'in en uzun zincir kuralı farklı gecikme saldırılarına (örneğin, bencil madencilik) karşı savunmasızdır, ancak Denge Saldırısı GHOST'un mekaniği etrafında formüle edilmiştir.
Makalenin en ağır sonucu, sade PoW protokollerinin konsorsiyum blokzincirleri için zayıf bir uyum olduğudur. Konsorsiyumların daha az, bilinen katılımcısı vardır, bu da ağ bölümleme saldırılarını küresel, düşmanca Bitcoin ağına kıyasla daha olası kılar. Sınırlı toplam hash gücü aynı zamanda anlamlı bir kısmını elde etme maliyetini de düşürür.
Temel Kavrayış: Natoli ve Gramoli, blokzincir güvenliğinde sıklıkla gözden kaçan kritik bir aksiyomu ortaya çıkardı: mutabakat güvenliği, hem kriptografik ispatın hem de ağ eşzamanlılığının bir fonksiyonudur. Denge Saldırısı SHA-256 veya Ethash'ı kırmakla ilgili değildir; kısmen eşzamanlı modellerdeki "ağ" varsayımını cerrahi bir hassasiyetle kırmakla ilgilidir. Bu, tehdidi hesaplama katmanından (hash gücü) ağ katmanına (yönlendirme, ISS'ler) taşır; bu, birçok konsorsiyum operatörünün savunmak için hazırlıksız olduğu bir sınırdır. FLP imkansızlık sonucu gibi klasik dağıtık sistemlerden gelen dersleri yankılar ve asenkroni altında mutabakatın kırılgan olduğunu kanıtlar.
Mantıksal Akış: Argüman basitliğinde zariftir. 1) PoW güvenliği, tek, en hızlı büyüyen zincire dayanır. 2) GHOST bunu, verimi artırmak için amcaları dahil ederek "en ağır" zincire dönüştürür. 3) Dengeli güce sahip izole bölümler yaratarak, bir saldırgan iki ağır, geçerli alt ağacın oluşmasını zorlar. 4) Yeniden bağlantıda, GHOST'un kuralı savunma değil, saldırı vektörü haline gelir. Sömürdüğü mantık hatası, GHOST'un ağırlığın dürüst çalışmayı yansıttığını varsaymasıdır, ancak bölünmüş bir ağda ağırlık izole edilmiş çalışmayı yansıtır ve bu manipüle edilebilir.
Güçlü ve Zayıf Yönler: Makalenin gücü, teorinin ötesine geçerek bir Ethereum özel zincirinde pratik bir gösterim sunmasıdır. Chernoff sınırlarının kullanımı matematiksel bir titizlik sağlar. Ancak, analizin akademik güvenlik makalelerinde yaygın olan bir kusuru vardır: neredeyse mükemmel, sürekli bir ağ bölünmesi varsayar. Birden fazla fiziksel ve mantıksal yola sahip gerçek kurumsal ağlarda, ağ mühendislerinin izlemesine karşı böyle temiz bir bölünmeyi 20+ dakika boyunca sürdürmek önemsiz değildir. Saldırı ayrıca saldırganın tam olarak dengeli hash gücüne sahip alt grupları belirlemesini ve hedeflemesini gerektirir, bu da bir konsorsiyumda içeriden bilgi gerektirebilir.
Uygulanabilir Öngörüler: PoW tabanlı bir konsorsiyum zinciri düşünen herhangi bir kuruluş için bu makale zorunlu bir kırmızı bayraktır. Acil çıkarım, konsorsiyum ortamları için saf PoW'den vazgeçmektir. Yetki İspatı (PoA), Pratik Bizans Hata Toleransı (PBFT) veya türevleri (İstanbul BFT gibi) gibi alternatifler, güvenlikleri kimlik ve mesaj geçişinden kaynaklandığı için, hash gücü ve ağ şansından değil, doğası gereği daha dirençlidir. Ethereum gibi halka açık zincirler için azaltma, sağlam, merkezi olmayan ağ altyapısında (Ethereum'un Discv5'i gibi) ve hızlı blok yayılımında (Graphene gibi) yatar. Büyük madencilik havuzları arasındaki olağandışı gecikme için ağ izleme, standart bir güvenlik uygulaması olmalıdır. Bu araştırma, güneş tutulması saldırıları (Heilman ve diğerleri) ve rüşvet saldırıları (Judmayer ve diğerleri) üzerine daha önceki çalışmalarla birlikte, katman-1 mutabakatının açıkça düşmanca ağ modelleri göz önünde bulundurularak tasarlanması gerektiğine dair bir kanıtlar bütünü oluşturur.
Dürüst düğümler ve saldırgan için madencilik süreci, sırasıyla $\lambda_h$ ve $\lambda_a$ oranlarına sahip bağımsız Poisson süreçleri olarak modellenir, burada $\lambda = \text{hash gücü} / \text{blok süresi}$. $Q(t)$ ve $H(t)$, saldırgan ve dürüst ağ tarafından $t$ zamanında kazılan blok sayısı olsun. Beklentileri $\mathbb{E}[Q(t)] = \lambda_a t$ ve $\mathbb{E}[H(t)] = \lambda_h t$'dir.
Saldırganın gecikme periyodu $\Delta$ sırasındaki amacı, bir bölümde $z$ öncülüğü kurmaktır. Saldırganın B bölümündeki zincirinin, A bölümündeki dürüst zincirden en az $k$ blok önde olma olasılığı, Poisson dağılımları için kuyruk eşitsizlikleri kullanılarak sınırlandırılabilir. Ağlar birleştiğinde saldırının başarı koşulu, iki rakip zincirin toplam ağırlıklarının (amcalar dahil) karşılaştırılmasını içerir. Makale, $\Delta$, $\alpha$ (saldırganın toplam güç içindeki oranı) ve istenen başarı olasılığını birbirine bağlayan bir koşul türetir.
Senaryo: 10 bankadan oluşan, her biri eşit güce sahip bir madencilik düğümü işleten, ticari finans için bir konsorsiyum blokzinciri.
Saldırı Çerçevesi Uygulaması:
Bu kod içermeyen örnek, saldırının adımlarını gerçekçi bir iş senaryosu kullanarak göstermektedir.