[發明專利]一種針對以太坊網絡的智能賄賂自私挖礦攻擊算法

在審

• 申請號: 202110209584.3
• 申請日: 2021-02-24
• 公開（公告）號: CN112968964A
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 王伊蕾;王兆杰;楊國玉;王穎;崔洋
• 申請（專利權）人: 曲阜師范大學
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08;H04L29/06;G06F21/60;G06F21/64;G06N20/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明針對現有區塊鏈中策略性攻擊的問題，利用強化學習的思想，考慮理性礦工和智能自私礦工存在的情況下，對于策略性攻擊的影響，公開了一種新的自私挖礦算法：Intelligent Bribery Selfish Mining In Ethereum（BSM?Ether）。旨在構造一個基于理性礦工參與的賄賂自私挖礦模型，攻擊者可以通過強化學習降低攻擊以太坊網絡的算力閾值，從而提高攻擊者破壞系統的動機。其技術要點是：自私礦工通過強化學習與外部環境交互選擇最優策略，將外部環境規范為馬爾可夫決策過程，利用強化學習來尋找使得收益最大化的最優攻擊策略。實驗結果表明，BSM?Ether算法和SM1 in Ethereum相比較，具有更低的算力閾值和更高的相對收益。該算法能有效的提高自私挖礦攻擊的成功率，破壞以太坊網絡的安全性。

技術領域

本發明屬于隱私保護領域，涉及區塊鏈、自私挖礦、機器學習等技術，在提高攻擊者智能性的同時，在理性的環境下，提出了收益更高且閾值更低的攻擊算法，發現了區塊鏈系統中共識機制的漏洞，為進一步提高區塊鏈系統的安全性提供了一種新思路。

背景技術

在以太坊網絡中，礦工把網絡中合法的交易信息組織起來，打包成一個區塊。通過共識協議，所有礦工節點參與爭奪記賬權，最終將有一個礦工節點獲得記賬權，該礦工利用鏈接將新生成的區塊添加到分布式賬本(即，區塊鏈)中，從而該礦工節點將獲得交易費和出塊獎勵。由于以太幣具有很高的經濟價值，這引起了許多攻擊者的注意。需要注意的是，算力較高的礦工，生成新區塊的能力也較強，在共識協議中獲得記賬權的概率也較大。一種比較極端的情況是，當攻擊者擁有絕大多數算力(51％)時，就能夠進行51％攻擊，通過分叉任意更改賬本信息，從而獲取非法收益(例如doublespending)。在區塊鏈中，分叉主要分為兩種情況：正常分叉和惡意分叉。正常分叉是由協議修改或者多個誠實礦工同時發現新區塊造成的。惡意分叉則是由攻擊者通過某些攻擊算法，為了獲得更多收益故意造成的分叉。擁有少數算力的礦工集中他們的算力組成礦池，以礦池的整體算力進行挖礦，若礦池發現一個新的區塊，會根據比例分配獎勵。當礦池發展到一定規模，極易進行51％攻擊，從而擁有少數算力的礦工仍然有機會獲得更大的收益。礦池還會引起其他攻擊，例如自私挖礦攻擊、頑固攻擊等。這些策略性攻擊嚴重破壞了加密貨幣系統的經濟生態環境，影響其良性發展。因此，此類攻擊引起的安全問題一直是人們關注的熱點。解決此類攻擊的一種方案，就是提高誠實礦工的比例，并構造激勵相容的共識協議。

發明內容

本發明的目的是提供一種收益最大化的混幣質量更新規則，其具體過程如下：自私礦池在挖到新區塊時會暫時地保留該區塊，然后在適當的時機公開區塊以使其他理性礦工的區塊無效從而增大自己的相對收益；在挖出區塊時，自私礦池會引用網絡中未被引用的uncleblock以獲得nephewreward；并且自私礦池在挖出新區塊時還會進行賄賂攻擊；具體做法是：當自私礦池在私鏈上挖出一個新塊時，會在該區塊上附加一定的額外獎勵，后續在私鏈上挖出下一區塊的礦工便會得到這筆額外獎勵；當以太坊網絡中出現競爭的分叉時，賄賂攻擊可以吸引一部分理性礦工在自私礦池的分支上工作，增加了自私礦池的私鏈成為最長合法鏈的概率，從而從全局來看會增加自私礦池的收益；

通過強化學習為BSM-Ether算法建立了馬爾可夫決策過程模型，模型定義為一個四元組，其中S表示狀態空間，A表示動作集合，P表示狀態概率轉移矩陣，R是獎勵矩陣；接下來的部分將對M各組件進行詳細描述：

(1)狀態空間S：馬爾可夫決策過程在任一時刻的狀態為la,lh,optional,uncle，其中la表示自私礦池的私鏈長度，lh表示公鏈長度，optional可以取集合{irrelevant，relevant，active}中的任一值，各取值的含義如下：

a)若當前狀態為la,lh,irrelevant,uncle，則上一狀態為la-1,lh,optional,uncle，意味著狀態轉移時新區塊由自私礦池挖出；

b)la,lh,relevant,uncle的前一個狀態為la,lh-1,optional,uncle，這表示新區塊由理性礦工挖出；