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物联网区块链—浅析IOTA结构与权重攻击
2021-10-19 13:13:01

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一、名词自解

物联网
万物互联,感知世界的触角。

区块链
狭义:区块的哈希链,分布式(日志)数据库。
广义:数字激励下的分布式 Do whatever you want

比特币
区块链数字奖励,价值 56,450.00$/每枚 (2021.10.11) 的数字货币。

双花
即双重支付, 声称同时向两个账户转账,但账户自身并没有足够余额。

IOTA
一种开放 源代码的分布式账本,提供物联网上各机器之间通信与交易,无矿工,易扩展,效率高。

DAG
Directed Acyclic Graph,有向无环图,图节点间有向连接,从任一个节点出发无法形成环路。

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Tangle
IOTA基于 DAG的图记账结构,该图结构中每个节点代表一个交易数据。

二、IOTA 与 Tangle

区块链开启了分布式记账,其可简单理解为链表结构,链表结构显然无法满足万物互联的IOT设备,自然就想到另一种数据结构 —

2.1 M2M 金融

IOT设备为何需要记账?

来看这样一个栗子,自动售货机大家都用过,客户投币买商品,售货员定期进货补货,顺便把里面的钱拿走。在网络时代,售货机和其他“物”连在一起,形成物联网,这样可以远程查看售货机状态,有没有故障,是不是该补货了,可口和百事哪个卖的好等等。

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但是售货机状态还是要人监控,坏了打电话报修,没货了要进货还要找人搬,耗时耗力,还得花钱,能不能让监控者放开那个售货机,让TA自己来?答案是肯定的,但是机器自己没钱进货(维修)。
如果给售货机安排个电子钱包,售货机自动检测状态,缺货了自己买,坏了自己发信号找人修,问题都找直接关联者,关联者可以是人,也可以是物联网上另一个物,这就是最简单的 M2M(Machine to Machine) 金融。

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有需求就有实现,IOTA开发了一种基于 DAG图结构的记账方式 —— Tangle(纠缠 )。

2.2 Tangle 结构

下文简单介绍 Tangle新节点加入和引入的节点 权重机制,旨在为后文阐述 攻击方式做铺垫,对 Tangle细节感兴趣的小伙伴可以自行阅读 Tangle白皮书

新节点加入

Tangle是一个有向图,图结构中每个节点代表一个交易数据,别称为 site , 每个 site 包含交易发件人,收件人,金额等信息。每个 site 被确认后将连接到至少2个其他的 site ,这些连接被称为 edge ,edge 用来验证交易。也就是说刚加入的 site 并不会自动验证,而是由后加入的 site 验证。

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如下图所示,交易 site(粉色方格 ) 想加入该 tangle ,系统算法会随机选择2个 site ,这两个 site 可称为 tip(绿色方格 )。如果选择的 tip 之一不是有效交易则忽略,然后随机选择一个新的 tip 。如果一切都检查正确,我们的交易 site 就会附加到2个tips ,并要求验证 tips 。验证通过后我们的 site 将连接到 tangle ,并等待以完全相同的方式被新加入的 site 验证。

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权重信任

区块链的核心就是群策群力的共识机制,上文也阐述了一个新交易 site 想加入 tangle 要验证两个 site(tip) ,但是你一人验证结果不能服众,万一验错了呢,那就大家一起来,然后把这个site被验证通过的次数累加转换作为该 site 的 —— 权重。很显然,权重越大代表 tangle 中对该 site 的验证通过率越高,一般情况下也越可信。
权重机制还有效解决了 双重支付(双花) 产生的分叉,即 A发起两个 site 分别向 BC转账,但是 A的资金只够发起一笔交易,于是确认哪笔就成了问题。在设置了权重之后,通过在 tangle 游走会发现一个分支将比另一个分支权重大,而较轻权重的分支将被放弃。

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每个 site 都会有初始的自权重,可以是 1、3、6、9等 (3的n次幂),如下图所示,假设每个 site 的初始权重为 1,site 中心较大数字就是累计权重,一般较早的 site 具有较高的累积权重,因为已经被多次验证,但这也为下文将提到的 Large Weight Attack留下隐患。

三、IOTA 安全

3.1 影子链攻击

除了一些哈希算法,实现漏洞等传统安全隐患,IOTA的基础 DAG结构本身就存在一些问题,最明显的是其允许多重并行交易的特征,导致攻击者可能暗中生成一条影子链,并且时不时地将影子链跟主链进行对接以逃避检测算法。
在解决影子链攻击问题上,IOTA使用 MCMC( Markov Chain Monte Carlo ) 算法进行顶点排除。即随机选取一部分 site,从它们开始随机游走,直到达到某个边缘 site,最后统计每个边缘 site 到达的概率。然而 IOTA没有在白皮书中给出这个方法的 量化数学证明

3.2 Tangle Large Weight Attack

上文提到,Tangle引入 site 权重的概念来达成全网交易共识,一般权重越大代表交易越可靠。那么如果攻击者增加虚假 site 的权重,这笔虚假交易加入 tangle 确认的主网成为可能。

Large Weight Attack 是什么?

Large Weight Attack 即 权重攻击,(个人感觉 Large 翻译成大厚重都很奇怪,就省略了),顾名思义,就是攻击者通过提高虚假 site ( 比如 双花) 的权重,使其因为权重值大而被确认。

Large Weight Attack 的流程?

理论权重攻击的流程并不复杂:

攻击者首先构造合法的交易 site ,并等待该 site 得到确认。

攻击者构造虚假交易 site,比如 双花, 产生一个新的分支。

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攻击者通过创建大量的交易 site 确认上一步骤的 双花交易 site 正确,以增加 site 的权重,由此新分支的权重也得以增加。

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由于权重较高,Tangle 网络选择包含 双花的分支确认加入,抛弃其他分支。

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篇幅有限,对更多细节感兴趣的小伙伴可以参考 IOTA Vulnerability: Large Weight Attack Performed in a Network这篇论文。

临时措施 — Coordinator

该方案使用一个 IOTA基金会控制的节点,也就是 调节者(Coordinator ),其每两分钟会发出一个不包含任何价值的交易 site,称之为 里程碑(milestone ),所有被里程碑的交易都是被确认的,反之就是未被确认。

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虽然可以部分解决 权重攻击的影响,但也提高了IOTA基金会的中心化优先权。IOTA声称将在不久的将来会彻底摈弃 Coordinator,将采用什么替代方式让我们拭目以待。

3.3 不可能三角

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三角具有稳定性,当我们谈论网络安全时需要 CIA三角的平衡,而在区块链就够中也有可扩展性(Scalability)、去中心化(Decentralization)、安全性(Security)的平衡,一般这三者中只能选择其中两个。就如在 Tangle 结构中通过引入 调节者( Coordinator ) 方案,增加安全性的同时降低了去中心化程度。

结语

区块链与物联网的结合迎来新的机遇,并不仅限于追踪、组网,在更广阔的领域也大有可为,与此同时,初始阶段的诸多安全问题也带来了新的挑战。

随着2021年 元宇宙的火爆,人类加快向数字世界迁徙的脚步,网络安全,或者说赛博空间安全从最早的关乎资源、关乎资产到真正的关乎生命。当我们还感叹攻击医疗设备已经完成从网络到个体的破坏,侵入元宇宙的 雪崩病毒可能已在酝酿。守护安全之路任重道远,希望同仁共勉。

# IoT安全 # 区块链安全
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