以太坊重組攻擊是什么?以太坊2.0合并后將更難執(zhí)行
以太坊重組攻擊是什么？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(qū)塊中對交易進行排列。（進行這種賄賂的主要用例是攻擊 DeFi 協(xié)議）。
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(zhí)行。
1.什么是分叉選擇規(guī)則，為什么它很重要？
分叉選擇規(guī)則是一個由客戶端評估的函數(shù)，它把已經看到的區(qū)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(guī)則是必要的，因為可能有多個有效的鏈可以選擇（例如，如果兩個具有相同母本的競爭區(qū)塊同時被發(fā)布）。
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(qū)塊不再是經典鏈的一部分，因為一個競爭區(qū)塊擊敗了它。最終性是指分叉選擇規(guī)則對某一區(qū)塊非常有利，以至于該區(qū)塊在數(shù)學上不可能被重合（或至少在經濟上不可行）的情況。
在一些分叉選擇規(guī)則中（例如 Tendermint ），重組是不可能發(fā)生的；分叉選擇規(guī)則只是通過添加任何已經通過 BFT（Byzantine Fault Tolerance ：拜占庭容錯） 共識并最終確定的區(qū)塊來擴展現(xiàn)有的鏈。在其他分叉選擇規(guī)則中，重組是非常頻繁的。
2.以太坊的現(xiàn)狀是什么？
在以太坊這樣的工作量證明(PoW)區(qū)塊鏈中，我們通常會看到 "最長鏈規(guī)則"（或者更準確地說，"最高總難度鏈規(guī)則"）。這意味著，當客戶端發(fā)現(xiàn) 2 條區(qū)塊鏈時，它會選擇總難度最高的一條（即該鏈中所有區(qū)塊的難度之和）。
舉個例子，假設區(qū)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(qū)塊 1 開始進行同步。
2.區(qū)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(qū)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(guī)則將注意到 "最重 "的鏈現(xiàn)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(qū)塊并沒有被完全丟棄，因為可能會有一個新的區(qū)塊到達，導致分叉選擇切換回第一個分叉上。
4.2b 和 3c 區(qū)塊到達，每個區(qū)塊的難度都是 110 ，創(chuàng)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(guī)則現(xiàn)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(qū)塊。這是一個2個區(qū)塊的重新組合。
你可以看到這將會發(fā)生什么。如果一個新的區(qū)塊 4a 到達，宣布 3a 為其父鏈，分叉選擇規(guī)則將切換回第一個分叉，以此類推。
3.鏈重組的影響
由于延遲的原因，短暫的重組一直在發(fā)生。礦工 A 和礦工 B 可能同時找到一個有效的區(qū)塊，但由于區(qū)塊在 p2p 網絡中的傳播方式，網絡的一部分區(qū)塊會首先看到 A 的區(qū)塊，另一部分會先看到 B 的區(qū)塊。如果這兩個區(qū)塊的難度相同，就會出現(xiàn)平局，客戶要么隨機選擇，要么選擇較早看到的區(qū)塊。通常情況下，當?shù)谌齻€礦工 C 在 A 的區(qū)塊或 B 的區(qū)塊上建造一個區(qū)塊時，平局最終被打破，而另一個區(qū)塊則被遺忘。偶爾，運氣不好也會導致 2-5 個區(qū)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。
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(jié)點成本：當重組發(fā)生時，由于必須切換到新的分叉，可能會回滾交易或修改區(qū)塊鏈狀態(tài)，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(yè)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(fā)送交易時，他們對該交易將在什么背景下執(zhí)行的確認性較低（例如，最近的 N 個區(qū)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(guī)則驅動的系統(tǒng)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。
可能發(fā)生的最壞情況
在最壞的情況下，頻繁的重組可以使區(qū)塊鏈的結算保證完全失效，并阻止其繼續(xù)進行。通常情況下，區(qū)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(qū)塊的后置狀態(tài)有利可圖（例如，有非常高的費用或 MEV ，只有通過在該區(qū)塊之后直接建立一個區(qū)塊才能提?。?，會發(fā)生什么？這個問題過去在沒有區(qū)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(tài)系統(tǒng)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(qū)塊 1 的后置狀態(tài)是有利可圖的，區(qū)塊 2a 已經被開采。然而，不是 1 個而是 3 個區(qū)塊生產者選擇在區(qū)塊 1 而不是區(qū)塊 2a 的基礎上進行開采（以要求在區(qū)塊 1 之后暴露的任何 MEV ），這可以擴展到任意數(shù)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(zhàn)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（造幣商）或隱性的（礦工）多頭頭寸（因為費用和區(qū)塊獎勵是以以太坊計價的），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。
4.合并后的以太坊與權益證明
在 Nakamoto PoW 中，區(qū)塊在分叉選擇中被 "串行 "固化。首先，一個區(qū)塊被開采出來，這時，一個競爭區(qū)塊有可能會重組它。如果該區(qū)塊作為經典鏈的一部分存活下來，在（平均）13秒后，其他一些礦工在上面建立了第二個區(qū)塊。在這一點上，需要一個由兩個競爭區(qū)塊組成的鏈來重新組織它。隨著更多的區(qū)塊被建在上面，重新 org 鏈的難度繼續(xù)增加，但速度很慢。
以太坊的信標鏈實現(xiàn)了一個名為 Gasper 的 PoS 協(xié)議，有一個名為 LMD-GHOST 的分叉選擇規(guī)則。與 Nakamoto PoW 相反，在區(qū)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(qū)塊。
參與者: 一組驗證者投票決定他們認為哪個區(qū)塊是經典鏈的頭。鑒定人的投票被稱為 "證明"，他們?yōu)閰^(qū)塊賦予 "權重"?？刂畦b定人意味著控制分叉選擇規(guī)則。
每12秒有一個 "槽"，它代表了一個提出區(qū)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(qū)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。
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(qū)塊的重構也是非常困難的，因為一個只控制了少數(shù)驗證者的攻擊者沒有辦法擊敗成千上萬的誠實的大多數(shù)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(guī)模的委員會中超過 50 %的概率遵循二項分布（其中 k = N/2 ）。
計算不同情況下的概率，我們得到以下表格：
我們現(xiàn)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(qū)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(qū)塊被最終確定（例如通過控制 67 %的股權），系統(tǒng)將需要回落到social intervention 來恢復。
重組戰(zhàn)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(guī)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(zhí)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(zhí)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(qū)塊具有有利可圖的后置狀態(tài)，以至于即使是 1-10 %的成功率也值得嘗試與該區(qū)塊的現(xiàn)有子塊競爭。
礦工可以是一個中等規(guī)模的礦池，依靠他們連續(xù)找到下一個 2-3 個區(qū)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(xiàn)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（因為他們不能把賭注集中在某個特定的槽位上，所以他們需要有足夠大的籌碼在他們想攻擊的槽位范圍內隨機選擇）。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(wěn)定的均衡狀態(tài)。
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(wěn)定的均衡。
從上面我們可以看出，雖然采用 "reorg geth "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(guī)則有誠實的均衡狀態(tài)，且它將比 Nakamoto 分叉選擇中的均衡更穩(wěn)定。
5.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(xiàn)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(tǒng)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（i）其他區(qū)塊鏈的礦工，和/或（ii）以太坊社區(qū)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(shù)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(xié)調問題，即讓大多數(shù)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(guī)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。
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