反51%攻击：哈佛MIT学者提出抗击双花新理论

写在前面：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。

注：原论文作者 Daniel J. Moroz∗（哈佛大学），Daniel J. Aronof（MIT ）、Neha Narula（MIT Media Lab）以及David C. Parkes（哈佛大学）

（图片来自tuchong.com）

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。

(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。)

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：

1. 4:04 ，攻击者开始从619934高度的区块挖矿，并在高度619935挖取了一个区块，并进行了双花；
2. 6：55，攻击者挖了9个区块，其所在链超过了现有链；
3. 6：56，我们的节点观察到并重新定位到攻击者的区块链。“旁观者”矿工切换至攻击者的区块链，并将其延长了2个区块；
4. 7：20 防御者开始挖矿，并延长原始链上未被攻击的区块（区块高度619943）；
5. 7：33 防御者在挖到4个新区块后超过攻击者的区块链；
6. 7：35 我们的节点观察到并重新定位到防御链。“旁观者”矿工切换到防守链；
7. 7：53 攻击者再次开始挖矿，扩展自己的攻击链，该链有两个附加的“旁观者”区块；
8. 8：22 防御者在12个区块之后停止挖矿；
9. 8：58 攻击者在超过防御者11个区块之后，也停止了挖矿；
10. 9：00 我们的节点观察到并切换至攻击者更深的重组链；
11. 9：14 防御者再次开始挖矿；
12.  9：27 防御者在原始链超过攻击者链后，继续挖矿；
13.  9：28 我们的节点重新定位到防御者的重链上；
14.  10：20 防御者减少投入算力；
15.  12：15 防御者停止挖矿；

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。

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

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：

invalidateblock

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。

作者：James Lovejoy, Dan Moroz, Neha Narula