On the Security of Proof-of-Stake Directed Acyclic Graph Protocols

Abstract

Mit Bitcoin wurde 2008 die erste Kryptowährung veröffentlicht. Mit ihr können Zahlungen getätigt werden, ohne einer zentralen Stelle wie einer Bank vertrauen zu müssen. Dies wird durch einen innovativen Konsensus-Mechanismus ermöglicht, der unter der Bezeichnung Proof-of-Work bekannt ist. Bitcoin ist noch immer die bekannteste und wertvollste Kryptowährung. Über die Jahre sind jedoch einige Probleme offenkundig geworden, wie z.B. der hohe Energieverbrauch und der niedriger Transaktionsdurchsatz. Um das Jahr 2016 kam eine neue Art von Protokollen auf, welche versprach diese beiden Probleme gleichzeitig zu lösen. Diese Protokolle basieren auf dem Proof-of-Stake (PoS) Mechanismus und verwenden gerichtete azyklische Graphen als Datenstruktur. Da es sich hier ebenfalls um Währungen handelt, spielt Sicherheit eine zentrale Rolle. Dies wirft die Frage auf, wie sicher Protokolle dieser Art wirklich sind. Diese Arbeit trägt zur Beantwortung bei, indem Hashgraph im Detail analysiert wird. Hashgraph ist ein vielversprechender Vertreter dieser Protokollart. Die verschiedensten Sicherheits- und Performanceangaben des Protokolls werden mithilfen eines im Zuge der Arbeit entwickelten und veröffentlichten Simulators überprüft. Der Simulator ermöglicht es, das Verhalten des Protokolls unter vier verschiedenen (Angriffs-)Szenarien zu untersuchen. Er bietet dazu umfangreiche Konfigurationsmöglichkeiten an, welche unzählige verschiedene Verläufe ermöglichen. Akteure/Akteurinnen agieren zufällig basierend auf einem veränderbaren Parameter, der Reproduzierbarkeit gewährleistet. Der Simulator selbst verfügt außerdem über eine grafische Benutzerobefläche, wobei Ergebnisse auch als Text-Dateien für weitere Analysen exportiert werden können. In keiner einzigen von tausenden Simulationen wurde der Konsensus-Mechanismus von Hashgraph gebrochen. Basierend auf der Tatsache das Nachrichten zur Synchronsiation beliebig schnell und an beliebige andere Knoten gesendet werden können, kamen jedoch Schwachstellen zu Tage. Diese Arbeit zeigt auf, dass es möglich ist eine widersprüchliche Transaktion zu einer bereits existierenden zu veröffentlichen und diese schneller bestätigt zu bekommen. Weiters wird belohnt, wer Synchronisationen zuerst mit ganz bestimmten Knoten durchführt, was zu einer Überlastung dieser Knoten führen kann. Die präsentierten Ergebnisse zeigen, dass diese Protokollklasse tatsächlich das Potential besitzt, zwei der grundelegenden Probleme von traditionellen Kryptowährungen zu lösen. Die Möglichkeit von Nachrichten-Spam im System kann dies jedoch zunichte machen und ist ein wichtiger Punkt in der Bewertung solcher Protokolle.