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处于弱势的 PoW 币种遭受 51% 攻击，受害者有能力在原始链上租用算力并进行挖矿，赶超攻击者链。 原文标题：《反 51% 攻击：哈佛 MIT 学者提出抗击双花新理论》 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。
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。
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：
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。
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：
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。 (责任编辑：admin) |
图片来自 tuchong.com
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
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