寫在前面：歷史上區塊鏈世界曾多次發生51%攻擊，而它們都發生在小幣種的身上，而據哈佛大學和MIT的研究者表示，他們在觀察到的40次重組攻擊中，還看到了可能的反攻擊案例，在2020年2月份，Bitcoin Gold區塊鏈上疑似出現了攻擊者與防御者的多輪對攻情況，對此，研究者提出了防御51%攻擊的反擊理論。

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

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（圖片來自tuchong.com）

以下是譯文：

比特幣和其它工作量證明（PoW）加密貨幣的經濟安全性，取決于重寫區塊鏈的成本。如果51%攻擊在經濟上是可行的，則攻擊者可以向受害者發送一筆交易，發起攻擊，然后雙花同一筆幣。中本聰（Satoshi Nakamoto）認為這種情況是不會發生的，因為大多數礦工會發現，誠實地遵守協議要比攻擊區塊鏈更有利可圖。

而最近的研究表明，攻擊加密貨幣的成本差異是非常大的，這取決于諸如算力的流動性，對幣價的影響以及重寫區塊鏈所需時間等因素。在某些情況下，攻擊甚至可能是免費的。 截至2020年3月，對于像比特幣這樣的區塊鏈，礦工們已經在挖礦設備上進行了大量的先期投資，并且他們不愿意把大比例算力拿出去出租，因此今天要對比特幣發起攻擊，其成本可能是非常高的 。 然而，其它一些幣種的情況則大為不同，市場上有足夠可租用的算力，可供發起經濟而高效的51%攻擊，并且在現實當中，我們已經觀察到攻擊者對這些幣種發起的雙花攻擊。使用NiceHash這樣的算力市場，買賣雙方可以輕松地進行對接。

現在，人們通常認為，低算力的幣種（所屬PoW算法類別中算力較低的幣種），會因為算力租賃市場的存在而容易遭受廉價的51%攻擊，并且它們是不安全的。

在最近發表的題為《 針對雙花攻擊的反擊 》這一論文中，我們討論了一種策略，以防止處于弱勢的PoW幣種遭受51%攻擊：受害者可以發起反擊。我們證明了受害者有能力在原始鏈上租用算力并進行挖礦，在發生攻擊時趕超攻擊者鏈，在平衡狀態下這可以阻止攻擊的發生。研究結果在以下假設下成立：（1）受害者遭受了中等程度的聲譽損失，而攻擊者則沒有（例如，如果受到攻擊，交易所可能會遭受負面聲譽影響，而匿名攻擊者則沒有），以及（2）攻擊的凈成本隨著時間的推移而增加（例如算力的上升等）。雖然在我們撰寫這篇論文時，并沒有證據能夠確定現實世界中存在針對雙花攻擊的反攻情況，但我們最近確實觀察到了這種可能。

(上圖顯示了反攻游戲的三個階段，綠色表示當前最重的公共鏈（即規范鏈），白色表示較小的分支鏈。最上面的階段顯示了一次51%攻擊的開始，其中攻擊者A向防御者D發送了一筆交易，但這筆交易是在一條替代鏈上，它的目的是使原始交易無效。第二個階段顯示了雙花交易的揭示，其中攻擊者鏈成為了最重鏈（規范鏈）。第三個階段顯示了防御者D反擊的結果，在此過程中，D是在原鏈上進行的挖礦，并超過攻擊者A的區塊鏈。)

2019年6月份，我們實現并運行了一個重組跟蹤程序，該跟蹤程序監控了23個目前最受歡迎的工作量證明（PoW）區塊鏈。對于每一個幣種，跟蹤器都會檢測并保存所有鏈頂端（chaintip）上的數據。截至目前，它已在Vertcoin、Litecoin Cash、Bitcoin Gold、Verge以及Hanacoin這些幣種上觀察到了40次至少六個區塊深度的重組攻擊。

關于Bitcoin Gold的重組攻擊和反擊

Bitcoin Gold（BTG）是于2017年10月24日從比特幣分叉出來的，截至2020年3月10日，它的市值為1.68億美元。Bitcoin Gold并沒有使用比特幣的SHA256算法，而是采用了ZHash抗ASIC算法，這意味著礦工可以使用GPU進行挖礦。與BTC不同，BTG每個區塊都會進行難度調整。

然而，BTG遭受了多次雙花攻擊，其中最大規模的一次51%攻擊發生在2018年5月份，當時有388,000 BTG（當時約為1800萬美元）被偷。而在2020年1月和2月份，BTG再次受到了雙花攻擊。通過重組跟蹤器，我們可以在2020年1月23日-2020年2月5日之間觀察到8次BTG重組。其中有4次是有雙花的，涉及到12,858 BTG（約合15萬美元）。

在2月份，我們注意到，BTG鏈上似乎上演了一場了反擊游戲。一開始，這只是一次典型的重組攻擊，其中一筆交易在一次雙花中被逆轉，但隨后又出現了雙花被逆轉的情況，這使得原始交易再次有效。2月8日，攻擊者和反擊者在2.5小時內來回進行了4次大戰。最終，原來的區塊鏈被修復，所以這筆雙花并沒有成功。2月9日和2月11日，我們觀察到了稱之為“one-shot”的反擊：攻擊者制造了一次重組，而防御者只進行了一次反擊，就恢復了原來的區塊鏈。

在2月8日發生的反擊游戲中，雙方爭奪的是兩筆交易757 和d5f（譯者注：tx的縮寫），攻擊者將它們替換為交易50d 和f38。AbC和AYP（注：地址的縮寫）這兩個地址總共被偷了4390 BTG（約合44000美元），這些幣被發送到了GVe和GYz。最終的重組深度為23，這將為礦工帶來大約290 BTG（3000美元）的區塊獎勵，約雙花總收入的7%。注意，在每一對交易中，第二筆交易花費了第一筆交易的輸出，即如果第一筆交易由于雙花而無效，則第二筆交易也將無效。因此，我們可以把它們視為一個單元。兩個單元有相同的輸入，但有不同的輸出，我們將其解釋為被盜的地址。

接下來，我們將說明2月8日發生的反擊游戲的挖礦動態。你可以在這里看到來自兩條鏈的帶時間戳的區塊列表。 我們稱這些地址為“防御者”，當原始鏈不是工作量最大的區塊鏈時，“防御者”將在原始鏈上獲得挖礦獎勵。而那些一直跟隨工作量最多鏈（即從未在少數分支鏈上挖礦）的礦工，則被認為是“旁觀者” 。

我們的節點在在UTC時間06:56開始觀察到了4次重組。第一次重組將原區塊鏈的最后9個區塊替換為9個新區塊。在新的區塊鏈中，每個區塊中都有兩個攻擊者地址：GKGUq2p和Gh46Jw1，并且在分叉區塊（block 619935）之后的第一個新區塊中有雙花交易。然后，在UTC時間07:35，我們的節點觀察到了另一次重組，其在原始鏈上又挖了另外4個區塊（難度更大）。而防御者則是GbWi6y7和GSsjeTZ，雙方反復進行了交戰，之后，攻擊者以放棄告終，并在UTC 時間08:58挖了最后一個區塊。根據區塊中的時間戳以及節點觀察到的重組世界，我們對時間軸的最佳猜測如下：

1. 4:04 ，攻擊者開始從619934高度的區塊挖礦，并在高度619935挖取了一個區塊，并進行了雙花；
2. 6：55，攻擊者挖了9個區塊，其所在鏈超過了現有鏈；
3. 6：56，我們的節點觀察到并重新定位到攻擊者的區塊鏈。“旁觀者”礦工切換至攻擊者的區塊鏈，并將其延長了2個區塊；
4. 7：20 防御者開始挖礦，并延長原始鏈上未被攻擊的區塊（區塊高度619943）；
5. 7：33 防御者在挖到4個新區塊后超過攻擊者的區塊鏈；
6. 7：35 我們的節點觀察到并重新定位到防御鏈。“旁觀者”礦工切換到防守鏈；
7. 7：53 攻擊者再次開始挖礦，擴展自己的攻擊鏈，該鏈有兩個附加的“旁觀者”區塊；
8. 8：22 防御者在12個區塊之后停止挖礦；
9. 8：58 攻擊者在超過防御者11個區塊之后，也停止了挖礦；
10. 9：00 我們的節點觀察到并切換至攻擊者更深的重組鏈；
11. 9：14 防御者再次開始挖礦；
12.  9：27 防御者在原始鏈超過攻擊者鏈后，繼續挖礦；
13.  9：28 我們的節點重新定位到防御者的重鏈上；
14.  10：20 防御者減少投入算力；
15.  12：15 防御者停止挖礦；

算力從何而來？

我們沒有確鑿的證據能夠證明觀察到的任何BTG重組，其算力是否來自于Nicehash。這種不確定性，是由于在沒有主動攻擊的情況下，BTG上的出現的價格和可用算力的大幅波動造成的。

這與我們最近在Vertcoin（VTC）雙花攻擊中觀察到的Lyra2REv3（從Nicehash市場租用了算力）形成了對比，在這次攻擊中，我們清楚地看到算力的價格在攻擊期間出現了飆升，而攻擊后又回到了基線。

算力可用性和價格的峰值頻率，使得我們很難將看到的峰值歸因于攻擊。然而，市場上有足夠的ZHash算力可被用于執行BTG攻擊，并且存在與檢測到的重組事件一致的算力峰值。

檢測到的重組期間Nicehash ZHash市場總結，紅線表示重組事件的時間

攻擊理論

實際上，攻擊可通過在Bitcoin Core節點上調用一個命令來完成，因此攻擊者可能不需要編寫任何新代碼。

例如，攻擊者可能執行了以下操作：

invalidateblock 

而防御者只需在包含雙花交易的攻擊者區塊上調用 invalidateblock，這將導致其節點繼續在原始鏈上挖礦，而不是重新定位到攻擊者鏈。

有可能在最后兩個案例中，攻擊者在看到受害者正在反擊時立即停止了攻擊。也許攻擊者知道，如果受害者能夠進行反擊，就不值得去和他們對戰。在幾乎所有的區塊對戰中，防御者的地址都是GSsjeTZ。在2月1日之前，這個地址從未使用過，而在反擊戰發生后，其也沒有被用于挖礦。

然而，這可能不是一個故意的復仇游戲。在這里我們討論下其他的可能性。

可能性1 ：測試

一種解釋是，所謂的反擊實際并不是反擊，而是由一個試圖測試反擊軟件的實體模擬的。大家可以想象，一家交易所、商家或者有核心開發者已經編寫了一個基礎設施，以便在發生深度重組時自動反擊，他們希望測試自己的軟件是否能夠正常工作。這可以解釋為什么在2月6日發生的反擊沒有任何雙花。

可能性2 ：礦工之戰

礦工們可能一直在互相進行反擊，這不是因為其中一人或兩人有興趣追回雙花的資金，而是為了偷竊，然后追回區塊獎勵。再一次，2月6日的反擊沒有雙花的事實，也支持了這一理論。

可能性3 ：網絡分裂

這可能是Bitcoin Gold中存在的一個短暫、重復發生的網絡分裂。有可能在同一時間，某個客戶端錢包廣播了一筆交易，該交易將花費的輸出加倍到分裂鏈的另一端。我們不知道是否有Bitcoin Gold錢包軟件能做到這一點。區塊時間戳與此是不一致的，這表明礦工是積極在挖礦的，然后停止了幾次。而時間戳也存在可能是偽造的。攻擊者和防御者的地址，在攻擊前后，都沒有再被使用過。

可能性4: 軟件漏洞

有可能是因為參與挖礦的軟件存在某種漏洞，導致他們無法在最長鏈上挖礦，或者他們意外地調用了 invalidateblock 。

可能性5: 偶然的機會

另一種可能，則是兩個大型礦工恰好在同一時間發現了區塊，這種分裂的概率是很低的。這似乎不太可信，因為時間戳沒有反映這一點，并且最長的重組是23個區塊；

結論

算力市場的日益發展，可能會破壞工作量證明（PoW）加密貨幣的安全性。然而，盡管流動算力市場的存在表明一條弱鏈是容易受到攻擊的，但受害者反擊的可能，在平衡狀態下有可能阻止攻擊。如果這種力量的平衡，足以保護區塊鏈，那么這就提出了一個問題，即需要多少工作量才能防止攻擊？

在這項研究工作中，我們只考慮了一個理性的攻擊者，而如果存在非理性的攻擊者，其可能不在乎在51%攻擊中損失的金錢，這使得他們要比潛在的反擊者更具有優勢。對于這樣的破壞者來說，51%攻擊的成本可能仍然是重要的威懾力量，正如今天比特幣所擁有的那樣。

致謝：我們要感謝《針對雙花攻擊的反擊》論文的共同作者Dan Aronoff和David Parkes。也感謝Tadge Dryja、Madars Virza和Gert Jaap Glasbergen對這項工作的有益反饋。