Cross-Layer Security Analysis of Blockchain Systems

Abstract

Bezpečnostné zlyhania blockchainových systémov zriedkavo vyplývajú z prelomenia kryptografie. Častejšie vznikajú z ekonomických stimulových nekompatibilít, chybných protokolových predpokladov a implementačných nedostatkov, ktoré môžu byť naprieč architektonickými vrstvami. Doterajší výskum prevažne analyzuje jednotlivé vrstvy blockchainov izolovane. Avšak takýto prístup nie vždy dokáže detegovať zraniteľnosti, ktoré sa môžu objavovať na hraniciach medzi jednotlivými vrstvami. Predkladaný výskum rieši túto poukázanú bezpečnostnú medzeru prostredníctvom systematickej medzivrstvovej analýzy založenej na bezpečnostnej referenčnej architektúre pre blockchainy. Použitá metodológia kombinuje modelovanie protokolov pomocou teórie hier, rozsiahle diskrétne a stochastické sieťové simulácie, návrh a prototypovanie protokolov, systematickú analýzu 36 kryptomenových peňaženiek a dôkazy s nulovou znalosťou typu zk-SNARK. Na vrstve konsenzu je formálne dokázané, že náhodný výber transakcií v protokoloch Proof-of-Work založených na orientovanom acyklickom grafe netvorí Nashovou rovnováhou. Simulácie s viac ako 8000 uzlami potvrdzujú, že táto zraniteľnosť pretrváva pri realistickom sieťovom rozsahu. Vyhodnotenie sebeckej ťažby s viacerými útočníkmi ukazuje, že prah ziskovosti v Nakamotovom konsenze klesá z 33% pri jednom útočníkovi na približne 14% až 17% pri piatich súčasných útočníkoch, a ukazuje, že Strongchain je konzistentne najodolnejší protokol vo všetkých testovaných konfiguráciách. Na rozhraní medzi konsenzom a sieťovou vrstvou dosahuje protokol Proof-of-Stake s integrovaným cibuľovým smerovaním anonymizáciu navrhovateľa blokov pri priepustnosti približne 110 transakcií za sekundu. Na aplikačnej vrstve formálna taxonómia autentifikácie odhaľuje, že väčšina analyzovaných kryptomenových peňaženiek poskytuje iba jednofaktorovú autorizáciu overovanú blockchainom napriek zdanlivej zložitosti ich rozhrania. Architektúra synchronizácie založená na zk-SNARK znižuje nároky mobilného klienta na úložisko zo 71MB na 3,5MB a nahrádza dôveru v servery tretích strán kryptografickou verifikáciou. Tieto závery a vykonaný výskum spoločne preukazujú, že bezpečnosť blockchainov je vo svojej podstate medzivrstvová vlastnosť, a zároveň poskytujú analytické nástroje, empirické referenčné hodnoty, protokolové mechanizmy a kryptografické návrhy pre budovanie odolnejších decentralizovaných systémov.