寫在前面：康奈爾大學以及IC3組織的的研究人員宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一種針對中本聰共識協(xié)議區(qū)塊鏈的拒絕服務攻擊，并稱之為BDoS，這種攻擊遠比此前的DoS攻擊要便宜得多（只需20%的算力）。研究者展示了攻擊者如何誘導理性礦工停止挖礦，并提出了一個緩解措施。

這一研究也引起了加密社區(qū)的關注，以太坊創(chuàng)始人vitalik對其表示了認可，獨立區(qū)塊鏈安全審計員Sergio Demian Lerner則表示這一研究是有趣的，他提到RSK可以提供額外的激勵以減少礦工問題（RSK相當于提供了叔塊獎勵），因此不受此攻擊的影響。

原論文作者：Michael Mirkin， Yan Ji， Jonathan Pang， Ariah Klages-Mundt， Ittay Eyal（自私挖礦提出者）， Ari Juels （康奈爾大學計算機學教授）

以下是簡化版博文譯文：

自互聯(lián)網(wǎng)誕生以來，拒絕服務（DoS）攻擊一直是個讓人頭疼的問題。DoS攻擊者以各種服務為目標，旨在獲取樂趣和利潤。最常見的情況是，他們會向服務器發(fā)送大量的請求，這些請求會導致服務器太忙，以至于無法為正常用戶提供服務。

而應對措施通常是通過識別洪泛源來防止這類攻擊。因此，在所謂的分布式拒絕服務（DDoS）攻擊中，攻擊者必須協(xié)調(diào)來自多臺計算機的洪泛（Flooding）。

有趣的事實：分布式源通常是普通用戶們的機器，它們形成了機器人網(wǎng)絡或僵尸網(wǎng)絡。

而比特幣等加密貨幣，則是DoS攻擊一個特別有利可圖的目標。理論上，期貨市場和保證金交易允許攻擊者做空一種加密貨幣，通過壓低該貨幣的價格來獲取利潤。而競爭加密貨幣，以及擔心加密貨幣對金融主權影響的政府，則是其他潛在的攻擊者。

然而，據(jù)我們所知，在實際操作中，并沒有人對重要的加密貨幣進行過成功的拒絕服務攻擊。

原因就是區(qū)塊鏈協(xié)議的去中心化特性。在區(qū)塊鏈中，并沒有可攻擊的中心服務器。操作區(qū)塊鏈的機器被稱為礦機，它們會完全復制區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。雖然對個別機器的攻擊是已知發(fā)生過的，但幾臺機器的完全關閉（甚至是控制），對整個系統(tǒng)的可用性而言幾乎沒有什么影響。

更有趣的事實：比特幣的點對點網(wǎng)絡是為了抵御攻擊而構建的，它吸取了僵尸網(wǎng)絡的教訓。

事實上，已知針對比特幣這類區(qū)塊鏈的DoS攻擊是非常昂貴的。中本聰提出的比特幣協(xié)議依靠工作量證明機制（PoW）來保證安全，礦工只有證明他們在系統(tǒng)外花費了資源（即計算能力）才能創(chuàng)建區(qū)塊。只有當系統(tǒng)中的大部分計算能力表現(xiàn)適當時，才能維護區(qū)塊鏈的安全。因此，攻擊者要進行DoS攻擊，其擁有的計算能力就要比其他參與者的總和都要高，即51%攻擊。對于主要的加密貨幣來說，51%攻擊對于大多數(shù)實體而言都是非常昂貴的。

這類攻擊在2018年底Bitcoin ABC和Bitcoin SV之間的“哈希戰(zhàn)爭”中有過嘗試，但成功是有限的。

BDoS的提出

我們發(fā)現(xiàn)，中本聰協(xié)議的固有特性，會使其暴露在明顯更便宜的DoS攻擊當中，我們利用了區(qū)塊鏈協(xié)議依賴于安全激勵的事實。在區(qū)塊鏈中，參與者（礦工）因參與加密貨幣挖礦而獲得獎勵。當這些激勵措施不再促進良好行為時，這個體系就會處于危險之中。我們將這種攻擊稱為區(qū)塊鏈DoS（BDoS），它利用了礦工的理性，使得他們違反規(guī)則要比遵循規(guī)則更有利可圖。

為了充分發(fā)揮效力，攻擊者需要讓礦工們意識到這種攻擊，以及意識到這種行為會增加他們的利潤。而這種策略行為顯然沒有在挖礦軟件中預先編程。因此，我們認為，這種攻擊并不會帶來迫在眉睫的風險，因為礦工們在面對攻擊時，必須重新規(guī)劃挖礦設備以最大化其利潤。

這種攻擊的存在，也許并不令人驚訝，它確實是Bryan Ford和Rainer B?hme提出的理論的一種表現(xiàn)，他們認為，從理性主體的角度分析系統(tǒng)的效用是有限的，因為外在的激勵是無法與拜占庭行為進行區(qū)分的。

下面我們將概述這種BDoS攻擊的機制。但首先，對于不熟悉中本聰大陸的人們來說，讓我們先從背景開始講起。

背景

絕大多數(shù)加密貨幣都在使用中本聰為比特幣提出的區(qū)塊鏈協(xié)議。在中本聰共識區(qū)塊鏈中，系統(tǒng)中的所有交易都放在區(qū)塊當中，并形成一個不斷增長的數(shù)據(jù)鏈。礦工們通過新交易組成的新區(qū)塊來擴展這條鏈，并將其發(fā)布給所有其他系統(tǒng)參與者。區(qū)塊生產(chǎn)的速度，是通過要求礦工在他們的區(qū)塊中包含工作量證明（密碼難題的解決方案）來調(diào)節(jié)的。（而沒有PoW的區(qū)塊在定義上是無效的）為了補償?shù)V工們的努力，生產(chǎn)區(qū)塊就會伴隨一些固定的獎勵（例如，當前比特幣的固定區(qū)塊獎勵是12.5 BTC）。如果礦工誠實挖礦，那么他們就會被激勵來延長區(qū)塊鏈，并獲得相應的獎勵。

由于礦工遍布全球，偶爾會有兩個或更多的礦工同時生產(chǎn)區(qū)塊，而這些區(qū)塊有相同的父塊，這導致的結果就是分叉，也就是鏈出現(xiàn)了多個分支。而要確定哪條鏈是主鏈，中本聰提出的規(guī)則是：最長鏈就是主鏈，所有礦工都應該延長這個最長鏈，而與主鏈分離的區(qū)塊以及它們的回報都會被忽略。

為了避免失去獎勵，礦工們一旦在最新區(qū)塊的header中接收到它的元數(shù)據(jù)，它們就開始對它進行挖礦。這樣就避免了在舊區(qū)塊上浪費挖礦資源，增加了挖取下一個區(qū)塊的機會。這通常不是好的做法，并引起了很多安全研究者的關注。在輕量級客戶端使用簡化支付驗證（SPV）協(xié)議進行部分區(qū)塊鏈驗證之后，這種基于區(qū)塊頭的挖礦方法便被應用了，并被稱為SPV挖礦。

攻擊

我們提出的BDoS攻擊，通過操縱對理性礦工的獎勵，從而可使區(qū)塊鏈停止運行。

攻擊者會使系統(tǒng)處于一種狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，理性礦工的最佳行動就是停止挖礦。

為了誘導這種狀態(tài)和相應的證明，攻擊者生成一個區(qū)塊，并只發(fā)布其區(qū)塊頭。而給定一個區(qū)塊頭，一個理性的礦工有三種可能的行動：

其可以延長主鏈，然后忽略區(qū)塊頭；

其可以擴展這個區(qū)塊頭（SPV挖礦）；

其可以停止挖礦，既不消耗算力，也不贏得獎勵；

如果理性礦工遵循選項1并擴展主鏈，找到并廣播一個新的區(qū)塊，那么攻擊者礦工將使用其相對較高的連接性（如自私挖礦）并傳播與區(qū)塊頭BA相對應的完整區(qū)塊。這會導致兩組礦工之間的競爭，其中一組先接收到攻擊者的區(qū)塊數(shù)據(jù)，另一組則先接收到理性礦工的區(qū)塊。

在一定概率下，理性礦工會輸?shù)舯荣悾瑓^(qū)塊Bi永遠不會被包含在主鏈當中。與“無攻擊”情況相比，這會降低在最后一個完整區(qū)塊上挖礦的預期回報。

如果理性礦工遵循選項2并成功地擴展了攻擊者的區(qū)塊頭BA，則攻擊者就不會發(fā)布完整的區(qū)塊BA。這導致理性礦工的區(qū)塊永遠不會包含在主鏈當中，從而導致該區(qū)塊的預期回報為零。

因此，如果“無攻擊”設置中的原始盈利能力不是太高，在這兩種情況下，攻擊者都可以確保誠實的礦工最終會賠錢。因此，BDoS攻擊者的威脅，意味著誠實礦工最好是放棄，而不是選擇挖礦，即選擇第三個方案。正如電影《戰(zhàn)爭游戲》中所說的那樣，“唯一能贏的途徑，就是不參與。”

BDoS攻擊在什么樣的條件下能成功

我們現(xiàn)在解釋BDoS攻擊者的成功條件是什么。具體來說，我們考慮對于特定的理性礦工i，無論其他參與者的行為如何，其停止挖礦要比繼續(xù)挖礦更有利可圖。答案取決于三個因素：首先，如果攻擊者持有的算力足夠多，那么攻擊將成功；其次，如果礦工i的算力足夠少，那么他將成功；最后，如果礦工i一開始利潤不高，那么他將成功；

礦工i的盈利因素是，如果沒有發(fā)生攻擊，其在挖礦作業(yè)投入的每一美元投資的回報。

下面的圖片顯示，對于不同攻擊者大?。╔軸）和礦工大?。ú煌€）的成功攻擊的最大收益率。

在我們的分析中，我們使用了一個稱為收益因子的屬性，它代表每美元投資的回報。這取決于挖礦設備以及電力成本，以及相關加密貨幣的價格。

舉個具體的例子，如果最大的礦工持有著全網(wǎng)算力的20%，那么一個擁有全網(wǎng)20%算力的攻擊者，就可以激勵所有的礦工在其盈利系數(shù)低于1.37時停止挖礦。

目前，對于比特幣而言，在電價為0.05美元/千瓦時的情況下，比特大陸S17 Pro礦機的收益因子接近2，而S9 的收益因子接近1。如果幣價大幅下降，攻擊者將能夠激勵現(xiàn)有的礦工停止挖礦，導致比特幣網(wǎng)絡完全停止運行。

此外，比特幣區(qū)塊獎勵預計將在2020年減半，這相應會降低礦工的盈利能力。

兩種幣模型

請注意，我們的模型是保守的，在某種意義上低估了攻擊者的機會。到目前為止，我們假設一個礦工在利潤為0的情況下可以繼續(xù)挖礦或停止挖礦。然而，加密貨幣礦工通常會將挖礦工作轉(zhuǎn)移到第二種加密貨幣上，甚至是暫時性的。如果兩種幣的初始盈利能力（在攻擊前）是相似的，那么在攻擊發(fā)生時，切換到另一種幣上，幾乎就是能盈利的。這意味著在這種情況下，我們稱之為兩種幣模型的攻擊威脅，甚至要比我們上面分析所顯示的還要高。事實上，兩種幣模型更符合現(xiàn)實場景。例如，有證據(jù)表明，礦工們經(jīng)常會在BTC和BCH之間進行轉(zhuǎn)換工作，這取決于盈利率。

緩解措施以及披露責任

我們沒有租用挖礦設備來進行攻擊，也沒有做空比特幣然后跑去躲避，而是遵循安全研究的最佳做法，這經(jīng)歷了一段負責任的披露期。我們向受影響的主要加密貨幣的開發(fā)人員發(fā)出了攻擊警報，并討論了緩解措施。

我們建議對共識規(guī)則進行一個小的修改，這樣礦工們就可以對區(qū)塊header在body在之前某個閾值時間（比如1分鐘）以上的區(qū)塊給予較低的優(yōu)先級。

這將增加攻擊者輸?shù)魠^(qū)塊傳播競賽的機會，因此可降低BDoS攻擊的有效性。

不幸的是，這一對策并不是根本性的。正如我們在論文中所解釋的，攻擊者可以使用智能合約或零知識（ZK）證明來證明其找到了一個區(qū)塊（而不是發(fā)布區(qū)塊頭）。使用這些技術，就會使得區(qū)塊傳播競賽中的攻擊者區(qū)塊與理性礦工區(qū)塊之間無法被區(qū)分，從而使緩解技術無效。

BDoS攻擊的另一個可能解決方案，是使用叔塊獎勵機制，正如以太坊采用的方案。叔塊獎勵機制將獎勵挖到非主鏈（但與主鏈直接相連）區(qū)塊的礦工。如果使用了叔塊獎勵機制，理性的礦工在BDoS攻擊中停止挖礦的的機會要低得多，因為即使其輸?shù)袅吮荣?，它也會得到獎勵（相當于以太坊完整區(qū)塊獎勵的7/8）。不過，這是一個折衷方案，因為叔塊會降低抵御自私挖礦攻擊的安全性。

結論

BDoS對中本聰共識區(qū)塊鏈而言是一種威脅，因為它允許攻擊者使用遠低于之前攻擊的算力執(zhí)行拒絕服務攻擊。我們已經(jīng)展示了攻擊者如何扭曲激勵機制，并引導追求利潤的礦工停止挖礦活動。我們提出的緩解措施很容易實施（不需要網(wǎng)絡分叉），但只會影響特定的BDoS攻擊。如果沒有更有力的緩解措施，中本聰共識區(qū)塊鏈的活躍性，就取決于礦工在收入損失的情況下是否愿意遵守協(xié)議，即利他主義。
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