反51%攻擊：哈佛MIT學者提出抗擊雙花新理論_COI

寫在前面：歷史上區塊鏈世界曾多次發生51%攻擊，而它們都發生在小幣種的身上，而據哈佛大學和MIT的研究者表示，他們在觀察到的40次重組攻擊中，還看到了可能的反攻擊案例，在2020年2月份，BitcoinGold區塊鏈上疑似出現了攻擊者與防御者的多輪對攻情況，對此，研究者提出了防御51%攻擊的反擊理論。

注：原論文作者DanielJ.Moroz?，DanielJ.Aronof、NehaNarula以及DavidC.Parkes

以下是譯文：

比特幣和其它工作量證明加密貨幣的經濟安全性，取決于重寫區塊鏈的成本。如果51%攻擊在經濟上是可行的，則攻擊者可以向受害者發送一筆交易，發起攻擊，然后雙花同一筆幣。中本聰認為這種情況是不會發生的，因為大多數礦工會發現，誠實地遵守協議要比攻擊區塊鏈更有利可圖。

而最近的研究表明，攻擊加密貨幣的成本差異是非常大的，這取決于諸如算力的流動性，對幣價的影響以及重寫區塊鏈所需時間等因素。在某些情況下，攻擊甚至可能是免費的。截至2020年3月，對于像比特幣這樣的區塊鏈，礦工們已經在挖礦設備上進行了大量的先期投資，并且他們不愿意把大比例算力拿出去出租，因此今天要對比特幣發起攻擊，其成本可能是非常高的。然而，其它一些幣種的情況則大為不同，市場上有足夠可租用的算力，可供發起經濟而高效的51%攻擊，并且在現實當中，我們已經觀察到攻擊者對這些幣種發起的雙花攻擊。使用NiceHash這樣的算力市場，買賣雙方可以輕松地進行對接。

數據：以太坊橋TVL達到61.9億美元:金色財經報道，DuneAnalytics數據顯示，以太坊橋當前TVL達到61.9億美元。其中鎖倉量最高的5個橋分別是PolygonBridges（30.32億美元）、ArbitrumBridges（21.16億美元）、OptimismBridges（7.9億美元）、NearRaibow（1.13億美元）、xDAI Bridges（9952萬美元）。[2023/7/17 10:59:13]

現在，人們通常認為，低算力的幣種，會因為算力租賃市場的存在而容易遭受廉價的51%攻擊，并且它們是不安全的。

在最近發表的題為《針對雙花攻擊的反擊》這一論文中，我們討論了一種策略，以防止處于弱勢的PoW幣種遭受51%攻擊：受害者可以發起反擊。我們證明了受害者有能力在原始鏈上租用算力并進行挖礦，在發生攻擊時趕超攻擊者鏈，在平衡狀態下這可以阻止攻擊的發生。研究結果在以下假設下成立：受害者遭受了中等程度的聲譽損失，而攻擊者則沒有，以及攻擊的凈成本隨著時間的推移而增加。雖然在我們撰寫這篇論文時，并沒有證據能夠確定現實世界中存在針對雙花攻擊的反攻情況，但我們最近確實觀察到了這種可能。

(上圖顯示了反攻游戲的三個階段，綠色表示當前最重的公共鏈，白色表示較小的分支鏈。最上面的階段顯示了一次51%攻擊的開始，其中攻擊者A向防御者D發送了一筆交易，但這筆交易是在一條替代鏈上，它的目的是使原始交易無效。第二個階段顯示了雙花交易的揭示，其中攻擊者鏈成為了最重鏈。第三個階段顯示了防御者D反擊的結果，在此過程中，D是在原鏈上進行的挖礦，并超過攻擊者A的區塊鏈。)

灰度比特幣信托負溢價率漲至38.19%:金色財經報道，Coinglass數據顯示，當前灰度總持倉量達187.99億美元，主流幣種信托溢價率如下：BTC，-38.19%；ETH，-49.24%；ETC，-64.07%；LTC，-47.54%；BCH，-27.84%。[2023/3/13 13:00:24]

2019年6月份，我們實現并運行了一個重組跟蹤程序，該跟蹤程序監控了23個目前最受歡迎的工作量證明區塊鏈。對于每一個幣種，跟蹤器都會檢測并保存所有鏈頂端上的數據。截至目前，它已在Vertcoin、LitecoinCash、BitcoinGold、Verge以及Hanacoin這些幣種上觀察到了40次至少六個區塊深度的重組攻擊。

關于BitcoinGold的重組攻擊和反擊

BitcoinGold是于2017年10月24日從比特幣分叉出來的，截至2020年3月10日，它的市值為1.68億美元。BitcoinGold并沒有使用比特幣的SHA256算法，而是采用了ZHash抗ASIC算法，這意味著礦工可以使用GPU進行挖礦。與BTC不同，BTG每個區塊都會進行難度調整。

然而，BTG遭受了多次雙花攻擊，其中最大規模的一次51%攻擊發生在2018年5月份，當時有388,000BTG被偷。而在2020年1月和2月份，BTG再次受到了雙花攻擊。通過重組跟蹤器，我們可以在2020年1月23日-2020年2月5日之間觀察到8次BTG重組。其中有4次是有雙花的，涉及到12,858BTG。

在2月份，我們注意到，BTG鏈上似乎上演了一場了反擊游戲。一開始，這只是一次典型的重組攻擊，其中一筆交易在一次雙花中被逆轉，但隨后又出現了雙花被逆轉的情況，這使得原始交易再次有效。2月8日，攻擊者和反擊者在2.5小時內來回進行了4次大戰。最終，原來的區塊鏈被修復，所以這筆雙花并沒有成功。2月9日和2月11日，我們觀察到了稱之為“one-shot”的反擊：攻擊者制造了一次重組，而防御者只進行了一次反擊，就恢復了原來的區塊鏈。

數據：今年交易所儲備總計減少約55萬枚比特幣:金色財經報道，Glassnode數據顯示，今年已有45萬枚在交易所或熱錢包中的比特幣被轉移到冷錢包中，而交易所儲備總計減少了約55萬枚比特幣，使交易所持有的比特幣數量減少到總供應量的不到12%。

其中幣安在12月的7天內減少9萬枚比特幣，FTX 在6月的兩周內減少7萬枚比特幣，Coinbase在11月的4天內減少20萬枚比特幣。(CryptoSlate)[2022/12/27 22:09:40]

在2月8日發生的反擊游戲中，雙方爭奪的是兩筆交易757和d5f，攻擊者將它們替換為交易50d和f38。AbC和AYP這兩個地址總共被偷了4390BTG，這些幣被發送到了GVe和GYz。最終的重組深度為23，這將為礦工帶來大約290BTG的區塊獎勵，約雙花總收入的7%。注意，在每一對交易中，第二筆交易花費了第一筆交易的輸出，即如果第一筆交易由于雙花而無效，則第二筆交易也將無效。因此，我們可以把它們視為一個單元。兩個單元有相同的輸入，但有不同的輸出，我們將其解釋為被盜的地址。

接下來，我們將說明2月8日發生的反擊游戲的挖礦動態。你可以在這里看到來自兩條鏈的帶時間戳的區塊列表。我們稱這些地址為“防御者”，當原始鏈不是工作量最大的區塊鏈時，“防御者”將在原始鏈上獲得挖礦獎勵。而那些一直跟隨工作量最多鏈的礦工，則被認為是“旁觀者”。

我們的節點在在UTC時間06:56開始觀察到了4次重組。第一次重組將原區塊鏈的最后9個區塊替換為9個新區塊。在新的區塊鏈中，每個區塊中都有兩個攻擊者地址：GKGUq2p和Gh46Jw1，并且在分叉區塊之后的第一個新區塊中有雙花交易。然后，在UTC時間07:35，我們的節點觀察到了另一次重組，其在原始鏈上又挖了另外4個區塊。而防御者則是GbWi6y7和GSsjeTZ，雙方反復進行了交戰，之后，攻擊者以放棄告終，并在UTC時間08:58挖了最后一個區塊。根據區塊中的時間戳以及節點觀察到的重組世界，我們對時間軸的最佳猜測如下：

BurnBNB：BNB實時銷毀量為14.17萬枚，約合5387萬美元:金色財經報道，BurnBNB發推特表示，BNB當前實時銷毀量為14.17萬枚，約合5387萬美元。據悉，BNB的實時銷毀機制由BEP95提出，類似以太坊當前的EIP-1559銷毀機制。[2022/12/19 21:53:21]

4:04，攻擊者開始從619934高度的區塊挖礦，并在高度619935挖取了一個區塊，并進行了雙花；

6：55，攻擊者挖了9個區塊，其所在鏈超過了現有鏈；

6：56，我們的節點觀察到并重新定位到攻擊者的區塊鏈。“旁觀者”礦工切換至攻擊者的區塊鏈，并將其延長了2個區塊；

7：20防御者開始挖礦，并延長原始鏈上未被攻擊的區塊；

7：33防御者在挖到4個新區塊后超過攻擊者的區塊鏈；

7：35我們的節點觀察到并重新定位到防御鏈。“旁觀者”礦工切換到防守鏈；

7：53攻擊者再次開始挖礦，擴展自己的攻擊鏈，該鏈有兩個附加的“旁觀者”區塊；

8：22防御者在12個區塊之后停止挖礦；

8：58攻擊者在超過防御者11個區塊之后，也停止了挖礦；

9：00我們的節點觀察到并切換至攻擊者更深的重組鏈；

9：14防御者再次開始挖礦；

?9：27防御者在原始鏈超過攻擊者鏈后，繼續挖礦；

?9：28我們的節點重新定位到防御者的重鏈上；

區塊鏈數字證券平臺DEFYCA完成130萬美元融資，QBN Capital和Blizzard Fund領投:11月21日消息，區塊鏈數字證券平臺DEFYCA完成130萬美元種子輪融資，QBN Capital和Blizzard Fund領投。

DEFYCA已開發區塊鏈協議DEFYCA Protocol，以幫助加密貨幣投資者通過代幣化資產投資傳統債務證券和貸款組合。這些代幣化資產會被納入到流動性資金池，包括價格發現、結算和支付等流程都將通過智能合約執行，繼而在DeFi和TradFi之間建立聯系。（PRWeb）[2022/11/21 7:53:14]

?10：20防御者減少投入算力；

?12：15防御者停止挖礦；

算力從何而來？

我們沒有確鑿的證據能夠證明觀察到的任何BTG重組，其算力是否來自于Nicehash。這種不確定性，是由于在沒有主動攻擊的情況下，BTG上的出現的價格和可用算力的大幅波動造成的。

這與我們最近在Vertcoin雙花攻擊中觀察到的Lyra2REv3形成了對比，在這次攻擊中，我們清楚地看到算力的價格在攻擊期間出現了飆升，而攻擊后又回到了基線。

算力可用性和價格的峰值頻率，使得我們很難將看到的峰值歸因于攻擊。然而，市場上有足夠的ZHash算力可被用于執行BTG攻擊，并且存在與檢測到的重組事件一致的算力峰值。

檢測到的重組期間NicehashZHash市場總結，紅線表示重組事件的時間

攻擊理論

實際上，攻擊可通過在BitcoinCore節點上調用一個命令來完成，因此攻擊者可能不需要編寫任何新代碼。

例如，攻擊者可能執行了以下操作：

使用BitcoinCore節點進行一筆支付，并等到它被區塊納入；

在包含支付交易的原始鏈中區塊調用invalidateblock；

斷開與對等式網絡的連接，然后清除mempool以刪除現有的支付交易；

在其錢包上進行rescan工作，使原始支付交易中使用的輸出可再次使用，并生成一筆新的交易，將相同的輸出花費到新的目的地輸出，這將和原始交易發生沖突；

正常挖礦，直到其所在鏈比原始鏈有更多的工作量，然后重新連接到對等網絡，以通知其他節點，讓它們參與這個替代鏈；

而防御者只需在包含雙花交易的攻擊者區塊上調用

invalidateblock，這將導致其節點繼續在原始鏈上挖礦，而不是重新定位到攻擊者鏈。

有可能在最后兩個案例中，攻擊者在看到受害者正在反擊時立即停止了攻擊。也許攻擊者知道，如果受害者能夠進行反擊，就不值得去和他們對戰。在幾乎所有的區塊對戰中，防御者的地址都是GSsjeTZ。在2月1日之前，這個地址從未使用過，而在反擊戰發生后，其也沒有被用于挖礦。

然而，這可能不是一個故意的復仇游戲。在這里我們討論下其他的可能性。

可能性1：測試

一種解釋是，所謂的反擊實際并不是反擊，而是由一個試圖測試反擊軟件的實體模擬的。大家可以想象，一家交易所、商家或者有核心開發者已經編寫了一個基礎設施，以便在發生深度重組時自動反擊，他們希望測試自己的軟件是否能夠正常工作。這可以解釋為什么在2月6日發生的反擊沒有任何雙花。

可能性2：礦工之戰

礦工們可能一直在互相進行反擊，這不是因為其中一人或兩人有興趣追回雙花的資金，而是為了偷竊，然后追回區塊獎勵。再一次，2月6日的反擊沒有雙花的事實，也支持了這一理論。

可能性3：網絡分裂

這可能是BitcoinGold中存在的一個短暫、重復發生的網絡分裂。有可能在同一時間，某個客戶端錢包廣播了一筆交易，該交易將花費的輸出加倍到分裂鏈的另一端。我們不知道是否有BitcoinGold錢包軟件能做到這一點。區塊時間戳與此是不一致的，這表明礦工是積極在挖礦的，然后停止了幾次。而時間戳也存在可能是偽造的。攻擊者和防御者的地址，在攻擊前后，都沒有再被使用過。

可能性4:軟件漏洞

有可能是因為參與挖礦的軟件存在某種漏洞，導致他們無法在最長鏈上挖礦，或者他們意外地調用了invalidateblock。

可能性5:偶然的機會

另一種可能，則是兩個大型礦工恰好在同一時間發現了區塊，這種分裂的概率是很低的。這似乎不太可信，因為時間戳沒有反映這一點，并且最長的重組是23個區塊；

結論

算力市場的日益發展，可能會破壞工作量證明加密貨幣的安全性。然而，盡管流動算力市場的存在表明一條弱鏈是容易受到攻擊的，但受害者反擊的可能，在平衡狀態下有可能阻止攻擊。如果這種力量的平衡，足以保護區塊鏈，那么這就提出了一個問題，即需要多少工作量才能防止攻擊？

在這項研究工作中，我們只考慮了一個理性的攻擊者，而如果存在非理性的攻擊者，其可能不在乎在51%攻擊中損失的金錢，這使得他們要比潛在的反擊者更具有優勢。對于這樣的破壞者來說，51%攻擊的成本可能仍然是重要的威懾力量，正如今天比特幣所擁有的那樣。

致謝：我們要感謝《針對雙花攻擊的反擊》論文的共同作者DanAronoff和DavidParkes。也感謝TadgeDryja、MadarsVirza和GertJaapGlasbergen對這項工作的有益反饋。

作者：JamesLovejoy,DanMoroz,NehaNarula

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