以太坊的权益证明机制与概率性反弹攻击

《Distributed Ledger Technologies: Research and Practice》：Ethereum Proof-of-Stake and the Probabilistic Bouncing Attack

以太坊通过合并升级实现权益证明转型，其共识协议融合BFT与Nakamoto-style设计导致复杂性增加。本文系统分类影响协议活性的攻击，发现已修复版本存在新漏洞，并创新性地提出形式化建模方法，量化分析时间参数对活性概率的影响，证实该协议具有确定性安全但仅概率性活性的特性。

　　

摘要

以太坊最近经历了一次被称为“合并”（The Merge）的变革，这使得以太坊从一个基于工作量证明（Proof-of-Work, PoW）的区块链转变为基于权益证明（Proof-of-Stake, PoS）的区块链，并逐渐向拜占庭故障容忍（Byzantine Fault Tolerance, BFT）共识机制靠拢。以太坊希望结合这两种协议设计的优点，因此现在其核心采用了一种复杂的共识机制。在这种机制下，区块的生成可能呈现出树状结构。我们分析了各种可能威胁该协议正常运行的攻击方式，并发现社区已经针对其中一些攻击发布了修复补丁。然而，我们又发现了一种针对已修复协议的新攻击手段。为了支持我们的分析，我们提出了对以太坊区块链活性（liveness）和可用性（availability）特性的新层次化形式化描述，并提供了相应的伪代码。我们认为这种形式化方法对其他相关研究也有参考价值。研究结果表明，以太坊的权益证明机制虽然具备安全性，但其活性仅具有概率性。活性的概率受到一个参数的影响，该参数决定了验证者改变对当前主链看法所需的时间范围。