BM-PAW: 작업 증명 기반 블록체인 시스템에서 수익성 있는 채굴 공격

1 서론

2008년 사토시 나카모토가 도입한 비트코인은 탈중앙화 블록체인 기술을 통해 디지털 화폐를 혁신했습니다. 기존 화폐와 달리, 비트코인은 작업 증명(PoW) 합의 메커니즘에 의존하며, 채굴자들이 암호화 퍼즐을 해결하여 거래를 검증하고 보상을 받습니다. 그러나 PoW 기반 시스템의 보안은 정직한 채굴 관행에서 벗어나는 다양한 채굴 공격으로 인해 도전에 직면하고 있습니다.

2 배경

2.1 작업 증명과 채굴

PoW 기반 블록체인 시스템에서 채굴자들은 암호화 퍼즐을 해결하기 위해 경쟁합니다. 퍼즐을 가장 먼저 해결한 채굴자가 새로운 블록을 생성하고 블록 보상(2024년 11월 기준 현재 3.125 비트코인)을 받습니다. 채굴 풀은 컴퓨팅 자원을 결합하여 등장했으며, 공유된 보상을 통해 참가자들에게 더 안정적인 수익을 제공합니다.

2.2 기존 채굴 공격

이전 연구에서는 여러 수익성 있는 채굴 공격을 확인했습니다:

이기적 채굴: 채굴자들이 발견한 블록을 보류하여 이점을 얻음
블록 보류(BWH): 공격자들이 부분 증명을 제출하여 풀 효율성을 저해함
보류 후 포크(FAW): 보류와 전략적 포킹을 결합함
파워 조정 보류(PAW): 채굴 파워 할당을 동적으로 조정함

3 BM-PAW 공격 전략

3.1 뇌물 메커니즘

BM-PAW는 공격자들이 대상 풀의 채굴자들에게 뇌물(BM)을 제공하는 새로운 접근법을 도입합니다. 이 금전적 인센티브는 공격자의 지시에 따르도록 장려하며, 기존 접근법을 능가하는 조정된 공격 전략을 생성합니다.

3.2 수학적 공식화

BM-PAW 공격은 게임 이론을 사용하여 모델링할 수 있습니다. $\alpha$를 공격자의 채굴 파워, $\beta$를 대상 풀의 채굴 파워, $BM$을 뇌물 금액으로 나타냅니다. 공격자의 이익 함수는 다음과 같이 표현될 수 있습니다:

$P_{attack} = R \cdot \frac{\alpha + \gamma \cdot \beta}{\alpha + \beta + \gamma \cdot \beta} - BM$

여기서 $R$은 블록 보상이고 $\gamma$는 뇌물을 받은 채굴자들의 준수율입니다.

4 균형 분석

두 풀 BM-PAW 게임 시나리오에서, 우리는 공격자가 전략적 뇌물을 통해 "채굴자의 딜레마"를 우회할 수 있음을 발견했습니다. 내쉬 균형은 공격자의 채굴 파워 $\alpha$와 이익을 극대화하면서 대상 풀의 준수를 보장하는 최적 뇌물 금액 $BM^*$에 달려 있습니다.

5 실험 결과

우리의 시뮬레이션은 BM-PAW가 다양한 네트워크 조건에서 PAW보다 지속적으로 더 나은 성능을 보인다는 것을 입증합니다. 공격자가 전체 채굴 파워의 30%를 통제하고 최적의 뇌물을 제공할 때, BM-PAW는 동일한 조건에서 PAW보다 15-25% 더 높은 이익을 달성합니다.

성능 비교

BM-PAW 대 PAW 이익 증가: 15-25%

최적 뇌물 범위: 블록 보상의 0.5-2%

수익성을 위한 최소 공격 파워: 네트워크의 15%

6 대응책

BM-PAW 공격을 완화하기 위한 몇 가지 실용적인 대응책을 제안합니다:

이상적인 보상 분배 패턴을 위한 향상된 풀 모니터링
전략적 보류를 방지하는 암호화 약속 체계
조정된 공격을 탐지하기 위한 동적 풀 멤버십 정책
채굴자 행동 추적을 위한 평판 시스템

7 본질적 분석

핵심 요약: BM-PAW는 블록체인 공격 경제학에서 근본적인 확대를 나타냅니다—이는 더 이상 기술적 착취에 관한 것이 아니라, 작업 증명이 작동하도록 만드는 인센티브 구조 자체를 타락시키는 금전적 인센티브를 생성하는 것입니다.

논리적 연결고리: 이 공격은 명확한 경제적 논리를 따릅니다: 이기적 채굴이나 PAW와 같은 전통적인 공격은 오직 채굴 파워의 기술적 조작에만 의존합니다. BM-PAW는 죄수의 딜레마 시나리오를 생성하는 뇌물 계층을 도입합니다—개별 채굴자들은 집단 시스템에 해를 끼칠 때에도 경제적으로 합리적으로 뇌물을 받아들입니다. 이는 다른 탈중앙화 시스템에서 관찰된 공유지의 비극 문제를 반영하며, DeFi의 플래시 론 공격이 기술적 취약점보다 경제적 인센티브를 악용하는 방식과 유사합니다.

장점과 단점: BM-PAW의 탁월함은 블록체인 보안이 단순히 암호학적이지 않다는 인식에 있습니다—이는 게임 이론적입니다. 저자들은 채굴자들의 경제적 합리성이 무기화될 수 있음을 올바르게 지적합니다. 그러나 논문의 주요 약점은 실제 구현 도전에 대한 제한된 탐구입니다. 이더리움 재단의 채굴자 추출 가능 가치(MEV) 연구에서 언급된 바와 같이, 대부분의 정교한 공격은 채굴자 조정 비용과 탐지 위험을 포함한 실질적인 배포 장애물에 직면합니다. 뇌물이 대규모로 효율적으로 구현될 수 있다는 가정은 더 많은 검토가 필요합니다.

실행 시사점: 블록체인 개발자들에게, 이 연구는 순수한 암호학적 보안을 넘어서야 할 긴급한 필요성을 신호합니다. 프로젝트들은 경제적 보안 계층을 통합하고 합리적인 경제 행위자들이 수익성 있는 어떤 편차라도 악용할 것이라고 가정해야 합니다. 제안된 대응책은 시작에 불과하지만, 비탈릭 부테린이 이더리움의 로드맵에 관해 주장한 바와 같이, 장기적 해결책은 지분 증명이나 더 정교한 합의 설계와 같은 메커니즘을 통해 그러한 공격들을 경제적으로 실행 불가능하게 만드는 근본적인 프로토콜 변경을 요구할 수 있습니다.

비트코인 백서와 이얄의 이기적 채굴 논문과 같은 후속 연구에 문서화된 전통적인 공격들과 비교할 때, BM-PAW는 공격 정교화의 성숙을 나타냅니다—기술적 악용에서 경제적 조작으로. 이 진화는 우리가 전통적인 사이버 보안에서 본 것과 평행합니다, 여기서 공격들은 기술적 취약점에서 사회 공학으로, 그리고 이제 경제적 조작으로 진행되었습니다.

8 기술적 세부사항

BM-PAW 공격은 정교한 수학적 모델링에 의존합니다. 최적 뇌물 계산은 여러 요소를 고려합니다:

$BM^* = \arg\max_{BM} \left[ R \cdot \frac{\alpha + \gamma(BM) \cdot \beta}{\alpha + \beta + \gamma(BM) \cdot \beta} - BM \right]$

여기서 $\gamma(BM)$은 뇌물 금액의 함수로서의 준수율을 나타내며, 일반적으로 시그모이드 함수로 모델링됩니다.

9 코드 구현

논문이 특정 코드를 제공하지는 않지만, BM-PAW 알고리즘은 다음과 같이 개념화될 수 있습니다:

BM-PAW 알고리즘:
1. 현재 채굴 파워 분포 계산
2. 잠재적 대상 풀 식별
3. 최적 뇌물 금액 BM* 계산
4. 만약 BM* < 예상 이익 증가:
5.    뇌물 캠페인 시작
6.    채굴 파워 할당 조정
7.    준수율 모니터링 및 전략 조정
8. 그 외: 기존 PAW 계속

10 미래 적용 분야

BM-PAW 개념은 암호화폐 채굴을 넘어서는 함의를 가집니다:

DeFi 보안: 유사한 뇌물 공격이 탈중앙화 거래소나 대출 프로토콜을 대상으로 할 수 있음
합의 진화: 차세대 블록체인에서 더 강력한 합의 메커니즘의 필요성을 강조함
규제 고려사항: 증권법이 블록체인 인센티브 구조에 적용되는 방식에 영향을 미칠 수 있음
크로스체인 보안: 이 접근법은 서로 다른 블록체인 간의 브리지 프로토콜을 공격하기 위해 적용될 수 있음

11 참고문헌

Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable
Luu, L., et al. (2015). A Secure Sharding Protocol For Open Blockchains
Buterin, V. (2021). Why Proof of Stake
Bitcoin Hash Rate Statistics. Blockchain.com
Ethereum Foundation. (2023). Miner Extractable Value Research

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