CAR:詳解以太坊合并后的重組攻擊

最近，人們討論了礦工采用假定被修改的以太坊客戶端的可能性，該客戶端允許他們接受賄賂，并在選定的區塊中對交易進行排列。。

在這篇文章中，我們將解釋為什么這種攻擊模式在以太坊2.0合并后將更難執行。

什么是分叉選擇規則，為什么它很重要？

分叉選擇規則是一個由客戶端評估的函數，它把已經看到的區塊和其他消息的集合作為輸入，并向客戶端輸出"典型鏈"是什么。分叉選擇規則是必要的，因為可能有多個有效的鏈可以選擇。

重組是一個特殊事件，在這個事件中，曾經是經典鏈的一部分的區塊不再是經典鏈的一部分，因為一個競爭區塊擊敗了它。最終性是指分叉選擇規則對某一區塊非常有利，以至于該區塊在數學上不可能被重合的情況。

在一些分叉選擇規則中，重組是不可能發生的；分叉選擇規則只是通過添加任何已經通過BFT共識并最終確定的區塊來擴展現有的鏈。在其他分叉選擇規則中，重組是非常頻繁的。

以太坊的現狀是什么？

在以太坊這樣的工作量證明(PoW)區塊鏈中，我們通常會看到"最長鏈規則"。這意味著，當客戶端發現2條區塊鏈時，它會選擇總難度最高的一條。

舉個例子，假設區塊的難度可以是100或110，想象一下下面的場景。

1.我們從難度為100的區塊1開始進行同步。

知情人士：推特品牌安全和廣告質量主管將離職:金色財經報道，知情人士表示，推特負責品牌安全和廣告質量的主管A.J.Brown將從公司離職，這是該公司本周第二位離職的安全高管。推特信任與安全主管Ella Irwin周四離職。該公司在廣告業務方面身陷困境，正努力說服內心不安的廣告商重返其平臺。[2023/6/3 11:55:25]

2.區塊2a和3a分別以100的難度到達，我們將它們插入我們的鏈中，形成一個總難度為300的分叉。

3.難度為110的區塊3b到達，宣布2a為其父方，形成總難度為310的分叉。分叉選擇規則將注意到"最重"的鏈現在是第二個分叉，并將切換到它。這是1個塊的重組，因為只有塊3a被改變了。請注意，這些區塊并沒有被完全丟棄，因為可能會有一個新的區塊到達，導致分叉選擇切換回第一個分叉上。

4.2b和3c區塊到達，每個區塊的難度都是110，創造了一個總難度為320的新分叉！這意味著分叉選擇的難度是320。按照分叉選擇規則現在將使用2b而不是2a，3c而不是3b，這些都是上一個經典鏈中的區塊。這是一個2個區塊的重新組合。

你可以看到這將會發生什么。如果一個新的區塊4a到達，宣布3a為其父鏈，分叉選擇規則將切換回第一個分叉，以此類推。

鏈重組的影響

由于延遲的原因，短暫的重組一直在發生。礦工A和礦工B可能同時找到一個有效的區塊，但由于區塊在p2p網絡中的傳播方式，網絡的一部分區塊會首先看到A的區塊，另一部分會先看到B的區塊。如果這兩個區塊的難度相同，就會出現平局，客戶要么隨機選擇，要么選擇較早看到的區塊。通常情況下，當第三個礦工C在A的區塊或B的區塊上建造一個區塊時，平局最終被打破，而另一個區塊則被遺忘。偶爾，運氣不好也會導致2-5個區塊的重組。超過這個時間的重組幾乎都是由于極端的網絡故障，客戶端錯誤，或惡意攻擊造成的。

分析師：“鴿派”情緒占了上風:2月4日消息，新年首個“超級央行周”，美英歐央行釋放的緊縮步伐放緩信號并不像上周的加拿大央行那般直白，表面上甚至有些鷹派，但市場卻愈發篤信全球緊縮浪潮“落幕”在望，超級央行周難掩“鴿派”本色。

對于各大央行最新的動作，景順多資產基金經理Sebastian Mackay表示，央行聲明聽起來其實仍然相當鷹派，但市場并不真的相信他們。從央行立場對市場的影響程度來看，“鴿派”情緒占了上風。(金十)[2023/2/5 11:47:52]

短暫的重組不是致命的，但它們仍然對網絡產生以下這些嚴重后果。

節點成本：當重組發生時，由于必須切換到新的分叉，可能會回滾交易或修改區塊鏈狀態，因此會有一些存儲問題。

用戶體驗下降：重新分叉的可能性意味著用戶需要等待更長時間才能安全地將涉及他們的交易視為"確認"。這方面的一個重要子案例是交易所等企業在接受存款之前需要等待更長時間。

交易背景的不確定性：當用戶發送交易時，他們對該交易將在什么背景下執行的確認性較低（例如，最近的N個區塊會不會被恢復？值得注意的是，這增加了DeFi交易對意外失敗，比預期差的交易結果或有害的MEV提取的可能性。

增加了51%算力攻擊的可能性：在一個最長鏈規則驅動的系統中，如果鏈上的礦工從B1到B2重新排序，那么B1的難度就不再有助于確保鏈的安全。攻擊者不再需要擊敗所有誠實的礦工，他們僅僅需要擊敗沒有被重組的那部分誠實礦工。如果頻繁重組，這就使攻擊者的工作大大簡化。

BAYC鑄造游戲門票Sewer Pass持有者將有權參與下一次迭代The Summoning:金色財經報道，一位熟悉Yuga Labs的消息人士透露，無聊猿BAYC鑄造游戲Dookey Dash門票Sewer Pass持有者將有權參與其元宇宙游戲的下一次迭代The Summoning，但到目前為止新迭代尚未披露具體信息。

根據此前信息，Dookey Dash于1月19日上線，開放三周，預計2月8日結束，玩家在游戲中收集的物品越多，在下水道系統中跋涉的時間越長，獲得分數就越高，高分者將獲得特殊獎品，具體獎品尚未公布。NFTGo.io數據顯示，截至目前，Sewer Pass交易量已達到3.497萬枚ETH，當前地板價為2.74ETH。[2023/1/29 11:35:04]

可能發生的最壞情況

在最壞的情況下，頻繁的重組可以使區塊鏈的結算保證完全失效，并阻止其繼續進行。通常情況下，區塊生產者的"激勵兼容"策略應該是延長最長的鏈。但是，如果某個區塊的后置狀態有利可圖，會發生什么？這個問題過去在沒有區塊獎勵的比特幣和自私采礦的背景下被探討過，今天在以太坊生態系統中與DeFi相關的MEV背景下也被探討過。

在這些情況下，有很大的動機試圖通過競爭而不是延長經典鏈的頂端來"偷取"費用或MEV。在下面的例子中，區塊1的后置狀態是有利可圖的，區塊2a已經被開采。然而，不是1個而是3個區塊生產者選擇在區塊1而不是區塊2a的基礎上進行開采，這可以擴展到任意數量的一方。

出于顯而易見的理由，這樣的模式為惡意的51%算力攻擊打開了一扇大門。我們把從事這種重組開采戰術的礦工稱為"近視理性"，因為這樣做的決定在短期內可能是理性的。然而，他們在以太坊上有明確的或隱性的多頭頭寸，這意味著任何這種減少用戶對以太坊信任的攻擊都是違背他們的終極利益的，因此從長遠來看是不理性的。

北京市發布第四批市級重大應用場景：圍繞區塊鏈等前沿技術:金色財經報道，北京市發布第四批市級重大應用場景，總投資90億元，圍繞區塊鏈等前沿技術應用，擬實現關鍵領域“卡脖子”技術應用從0到1突破，典型應用場景項目包括政務服務區塊鏈應用等。[2022/12/26 22:08:57]

合并后的以太坊與權益證明

在NakamotoPoW中，區塊在分叉選擇中被"串行"固化。首先，一個區塊被開采出來，這時，一個競爭區塊有可能會重組它。如果該區塊作為經典鏈的一部分存活下來，在13秒后，其他一些礦工在上面建立了第二個區塊。在這一點上，需要一個由兩個競爭區塊組成的鏈來重新組織它。隨著更多的區塊被建在上面，重新org鏈的難度繼續增加，但速度很慢。

以太坊的信標鏈實現了一個名為Gasper的PoS協議，有一個名為LMD-GHOST的分叉選擇規則。與NakamotoPoW相反，在區塊生產過程中，有2個角色。

提議者:?一個驗證者的任務是提出一個區塊。

參與者:?一組驗證者投票決定他們認為哪個區塊是經典鏈的頭。鑒定人的投票被稱為"證明"，他們為區塊賦予"權重"。控制鑒定人意味著控制分叉選擇規則。

每12秒有一個"槽"，它代表了一個提出區塊的機會。對于每個時段，一個洗牌算法偽隨機地選擇一個由所有驗證者的1/32組成的委員會，其中每個委員會中的一個驗證者是提議者，其余的是贊成者。審定者對他們認為是經典鏈的一部分的區塊進行平行投票。由于委員會是偽隨機抽樣的，攻擊者沒有辦法將他們的驗證者集中到一個單一的位置。

XCarnival宣布未來兩年投入5000 ETH打造“Security Star”計劃:7月2日消息，為了保障XCarnival用戶及生態伙伴的利益，XCarnival宣布發起“Security Star”計劃，主要包括智能合約安全和保險基金兩部分，計劃在兩年內持續投入5000 ETH，用以保障平臺及用戶資產安全。

在智能合約安全方面，XCarnival表示再度加強了內部交叉審計機制，并在和CertiK合作的基礎上再次引入了新的外部審計機構Peck Shield，并很快將對外推出漏洞懸賞計劃。

在保險基金方面，XCarnival將成立XFund，該基金主要面對XCarnival自身及其生態合作伙伴，預計未來兩年內投入5000 ETH。該基金主要作用是：

1. 基金將會由XCarnival DAO獨立負責運作，其功能是為了保證在XCarnival平臺的資產及資金安全。

2. 基金將負責承擔極端情況平臺在非人為因素下發生損失的賠償責任，基金成立后將首先對事件中的還未追繳的部分（1620 ETH）進行補償。

3. 在有借貸資產發生清算時，基金將根據資產的實際情況作為清算發起人進行資產的處理，確保借貸資產安全。

據悉，XCarenival的智能合約也會大約在三周后進行重啟。

6月26日，攻擊者利用合約漏洞攻擊，造成XCarnival平臺直接損失3087 ETH。XCarnival團隊成員經過與攻擊者多輪談判，首期追繳到1467 ETH。[2022/7/2 1:46:07]

今天，信標鏈有19.6萬個驗證器，這意味著每個槽都有一個大小為6125的委員會。因此，即使是單一區塊的重構也是非常困難的，因為一個只控制了少數驗證者的攻擊者沒有辦法擊敗成千上萬的誠實的大多數參與者。

為了獲得一些關于為什么會這樣的直覺，讓我們看一個有2個插槽和24個驗證者的例子，其中9個是惡意的。驗證者被分成兩個委員會，由于隨機洗牌，對手不太可能控制他們被分配到的任何一個小組的50%以上，并導致重組。

更正式地說，擁有p%股權的惡意行為者控制N個驗證人規模的委員會中超過50%的概率遵循二項分布。

計算不同情況下的概率，我們得到以下表格：

我們現在明白，直接進行重組需要攻擊者控制接近50%的驗證者。

如果攻擊者擁有25-49%的驗證者，還有更微妙的攻擊是可能的。然而，這些攻擊有已知的修復方法，可以不引人注意地實施，增加安全性，接近無條件的50%。

最后，長時間的恢復是不可能的，因為所有深入到過去2個紀元的區塊都被認為是"最終確定"的，也就是說，不可能恢復過去。如果攻擊者導致兩個沖突的區塊被最終確定，系統將需要回落到socialintervention來恢復。

重組戰略采用的博弈論

既然我們已經看到了重組策略在不同的分叉選擇規則中是如何運作的，那么就值得通過一個簡單的博弈論例子來了解礦工或驗證者何時使用執行重組策略的軟件來獲利才是合理的。

我們可以用一個回報矩陣來通俗地描述每種情況，其中"缺陷"意味著"下載并使用執行反欺詐的軟件"。報酬是"短視"的，沒有考慮到長期后果。

中本聰工作證明

在最長鏈PoW中，短距離重組可以用驗證器集的哪怕一小部分進行概率性的重組。偶爾總會有一些區塊具有有利可圖的后置狀態，以至于即使是1-10%的成功率也值得嘗試與該區塊的現有子塊競爭。

礦工可以是一個中等規模的礦池，依靠他們連續找到下一個2-3個區塊的可能性，或者他們可以將他們收入的一部分送入一個任何人都可以索取的合同中，以賄賂其他運行相同軟件的人在他們的鏈上建立并幫助它對抗現有的經典鏈。

因此，一些礦工可能會被誘惑去運行reorg客戶端。

Gasper

在Gasper中，1-64個槽位的重組是可能的，但需要攻擊者控制整個驗證器集的很大一部分。除非有非常多的其他驗證者也同時采用，否則采用重組挖礦軟件是沒有用的。

因此，如果51%的驗證者有哪怕是最輕微的利他主義，那么沒有一個人運行重組軟件是一個穩定的均衡狀態。

Tendermint

在Tendermint中，情況甚至更干凈：重組是不可能的，任何違反單槽最終性的行為都需要1/3以上的驗證者被砍掉。與Gasper的情況類似，這也意味著沒有人運行重組軟件才是一個穩定的均衡。

從上面我們可以看出，雖然采用"reorggeth"在所有情況下都是可能的，但基于平行證明概念的分叉選擇規則有誠實的均衡狀態，且它將比Nakamoto分叉選擇中的均衡更穩定。

經驗之談

在以太坊的背景下，最有效的預防措施是進一步加快合并的工作，特別是迅速實現可信的能力，進行"緊急合并"，將鏈過渡到PoS。急于合并會有很高的風險，可能會破壞基礎設施，但如果許多礦工開始重新攻擊鏈，一個可信的承諾將對這種行為起到抵制作用。

接近合并的時期風險最大，因為礦工仍然是系統的負責人，但他們的時間跨度縮短了。然而，有兩個因素緩解了這種風險。

以太坊礦工往往同時是其他區塊鏈的礦工，和/或以太坊社區其他身份的成員，所以他們仍然會有良好行為的動機。

隨著合并的臨近，進行緊急合并的難度、成本和風險也在降低。在合并的預定日期前幾個月，緊急合并將是具有高度破壞性的。在合并預定日期的兩周前，對客戶來說，這將是一個參數設置，驗證操作器已經完成了下載。

合并后，重組驗證將成為一個更小的問題，因為單個驗證者或一小群驗證者不能獨自重組。重組攻擊想要成功必須解決極其困難的協調問題，即讓大多數驗證者同時下線。然而，一些小的風險仍然存在。如果希望進一步提高安全性，那么以太坊可以進一步調整分叉選擇規則，將重組攻擊的要求提高到50%的理論最大值，或者找到一種方法，直接轉向單槽inality的共識。

原標題：EthereumReorgsAfterTheMerge

作者：VitalikButerin&GeorgiosKonstantopoulos

Tags：以太坊VALCARETH以太坊行情avalanche幣的價格CardstarterBeacon ETH

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