ADESS：防範雙重支付攻擊的工作量證明協議

1 導論

工作量證明（PoW）區塊鏈的主要弱點在於攻擊者可能透過分叉先前發布的區塊，並建立具有不同交易順序的替代鏈段來改寫交易歷史。當攻擊者鏈條累積的挖礦難度超過現有主鏈時，節點會將其識別為主鏈，從而實現雙重支付攻擊，使攻擊者能夠撤銷原始鏈上記錄的代幣轉移。

2018至2020年間發生的以太經典和比特幣黃金攻擊等真實事件，證明了雙重支付的實際威脅。ADESS協議改良透過引入新穎機制來識別攻擊者鏈條並實施經濟懲罰，從而解決此弱點。

1.1 兩項ADESS改良機制

ADESS對現有PoW協議引入了兩項關鍵改良：

1.1.1 攻擊者鏈條識別

該協議透過分析時間序列模式來識別潛在攻擊者鏈條。當比較具有共同祖先區塊（「分叉區塊」）的鏈條時，ADESS會對最後廣播分叉區塊後連續區塊數量未達最低要求的鏈條施加懲罰。這利用了攻擊者在收到商品或服務後才延遲廣播其鏈條的行為模式。

1.1.2 指數型懲罰機制

一旦識別出攻擊者鏈條，ADESS會應用指數增長的算力要求，使攻擊者鏈條成為主鏈。這顯著提高了成功攻擊的經濟成本。

2 技術架構

ADESS作為中本共識協議的改良版本運作，在保持向後相容性的同時，增強了抵禦雙重支付攻擊的安全性。

2.1 數學基礎

ADESS懲罰機制可用數學公式表示為：

$P_A = D_A \times e^{\lambda \times \Delta t}$

其中：

$P_A$ = 攻擊者鏈條經懲罰調整後的有效難度
$D_A$ = 攻擊者鏈條的實際挖礦難度
$\lambda$ = 懲罰增長率參數
$\Delta t$ = 鏈條廣播間的時間延遲

在ADESS協議下，雙重支付攻擊的預期成本變為：

$E[Cost_{ADESS}] = \int_0^T h(t) \times e^{\lambda t} \times c \, dt$

其中$h(t)$是算力函數，$c$是單位算力成本。

2.2 協議實作

ADESS修改了鏈條選擇演算法以納入時間分析。節點維護有關區塊發布時間的額外元數據，並在鏈重組事件期間使用此資訊。

3 實驗結果

研究人員進行了模擬實驗，比較ADESS與傳統PoW協議在各種攻擊情境下的表現。

3.1.1 攻擊成功機率

實驗結果表明，根據網路參數和攻擊者算力百分比的不同，ADESS相比標準PoW協議可降低45-68%的雙重支付攻擊成功機率。

3.1.2 經濟成本分析

研究顯示，對於任何交易價值，ADESS都存在一種懲罰設定，可使雙重支付攻擊的預期利潤為負，從而有效威懾理性攻擊者。

3.1 安全性分析

ADESS在為誠實參與者保持與傳統PoW相同安全保證的同時，顯著提高了攻擊成本。當挖礦難度在短區塊間隔間頻繁調整時，該協議最為有效。

攻擊成本增加

2.3倍 - 5.7倍

成功攻擊的更高成本

成功機率降低

45% - 68%

攻擊成功率的降低幅度

4 程式碼實作

以下是ADESS鏈條選擇演算法的簡化虛擬碼實作：

function selectCanonicalChain(chains):
    // 過濾具有足夠工作量的鏈條
    valid_chains = filter(lambda c: c.total_difficulty > THRESHOLD, chains)
    
    // 尋找共同祖先並計算時間延遲
    fork_block = findCommonAncestor(valid_chains)
    time_delays = calculateBroadcastDelays(valid_chains, fork_block)
    
    // 應用ADESS懲罰
    for chain in valid_chains:
        if isPotentialAttacker(chain, time_delays):
            penalty = exp(PENALTY_RATE * time_delays[chain])
            chain.effective_difficulty = chain.total_difficulty / penalty
        else:
            chain.effective_difficulty = chain.total_difficulty
    
    // 選擇具有最高有效難度的鏈條
    return max(valid_chains, key=lambda c: c.effective_difficulty)

function isPotentialAttacker(chain, delays):
    return delays[chain] > ATTACKER_THRESHOLD

5 原創分析

ADESS協議代表了工作量證明區塊鏈安全性的重大進步，解決了自比特幣誕生以來持續存在的基本弱點。與傳統僅關注累積工作量的方法不同，ADESS引入了時間分析作為安全維度，創建了多面向的防禦機制。這種方法與區塊鏈安全中新興的結合行為經濟學和賽局理論的趨勢一致，類似於以太坊轉向權益證明時基於驗證者行為引入了罰沒條件。

從技術角度來看，ADESS的指數型懲罰機制為攻擊者創造了經濟理性的威懾力。數學公式$P_A = D_A \times e^{\lambda \times \Delta t}$確保攻擊成本隨時間超線性增長，使持續攻擊在經濟上不可行。這種方法在概念上與比特幣的難度調整演算法有相似之處，但將指數概念應用於安全性而非挖礦調節。

與檢查點或Avalanche共識等其他雙重支付防護機制相比，ADESS在保持PoW去中心化特性的同時，僅增加了極少的計算開銷。該協議在模擬中顯示出45-68%的攻擊成功機率降低，證明了其實用可行性。然而，對節點間準確時間同步的依賴帶來了實作挑戰，需要謹慎的網路設計，這讓人聯想到比特幣白皮書本身討論的時間戳可靠性問題。

這項研究透過證明協議改良不必是革命性的也能有效，為更廣泛的區塊鏈安全領域做出了貢獻。正如CycleGAN論文（Zhu等人，2017）所指出的，有時最具影響力的創新來自對現有概念的創造性重組，而非完全新穎的方法。ADESS遵循這種模式，以新穎的方式將時間分析與經濟激勵相結合，這可能影響未來超越PoW系統的區塊鏈協議設計。

6 未來應用

ADESS協議有幾個有前景的未來應用和發展方向：

6.1 跨鏈安全性

ADESS原理可適用於跨鏈橋和互操作性協議，其中時間分析有助於防止橋接攻擊並確保跨鏈交易的原子性。

6.2 混合共識機制

與權益證明及其他共識演算法的整合可創建混合系統，這些系統既能利用ADESS的時間安全特性，又能受益於替代共識機制的能源效率。

6.3 即時支付系統

對於加密貨幣支付處理器和交易所，ADESS可實現更快的交易最終性與更高的安全保證，可能減少高價值交易的確認時間。

6.4 智能合約增強

未來工作可將ADESS概念整合到智能合約平台中，允許合約根據時間鏈特性動態調整安全參數。

7 參考文獻

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Wood, G. (2021). Ethereum: A Secure Decentralised Generalised Transaction Ledger
Zhu, J. Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. IEEE International Conference on Computer Vision
Buterin, V. (2014). A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform
Garay, J., Kiayias, A., & Leonardos, N. (2015). The Bitcoin Backbone Protocol: Analysis and Applications
MIT Digital Currency Initiative (2020). 51% Reorganization Tracker
Singer, A. (2019). Ethereum Classic 51% Attacks: A Post-Mortem
Lovejoy, J. (2020). Understanding and Mitigating 51% Attacks on Proof-of-Work Blockchains

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