Sybil Attack

Sybil 攻擊是指攻擊者在 P2P 網路中創建大量虛假身份（節點）， 以獲得對網路不成比例的影響力。在比特幣中，這可能導致日蝕攻擊、 交易審查或網路分析。

攻擊原理

正常網路:
         ┌─────┐
    ┌────┤Node A├────┐
    │    └─────┘    │
┌───▼───┐       ┌───▼───┐
│Node B │       │Node C │
└───┬───┘       └───┬───┘
    │    ┌─────┐    │
    └────┤Node D├────┘
         └─────┘

每個節點是獨立實體，網路去中心化

Sybil 攻擊:
         ┌─────┐
    ┌────┤Node A├────┐
    │    └─────┘    │
┌───▼───┐       ┌───▼───┐
│Sybil 1│       │Sybil 2│  ← 同一攻擊者控制
└───┬───┘       └───┬───┘
    │    ┌─────┐    │
    └────┤Sybil 3├───┘  ← 同一攻擊者控制
         └─────┘

攻擊者控制大量「獨立」節點

攻擊目標

1. 日蝕攻擊的前置步驟

// Sybil 節點用於日蝕攻擊

1. 創建數千個 Sybil 節點
2. 向目標節點宣傳 Sybil 節點地址
3. 填滿目標的 AddrMan 數據庫
4. 等待目標重啟
5. 目標連接到 Sybil 節點
6. 完成日蝕，目標被隔離

2. 網路監控和去匿名化

// 追蹤交易來源

攻擊者運行大量節點，分佈在網路各處

當交易廣播時:
- 記錄哪個節點最先發送該交易
- 分析傳播模式
- 推斷交易發起者的 IP 地址

效果:
- 破壞交易隱私
- 關聯比特幣地址和真實身份

3. 交易審查

// 如果控制足夠多的連接

策略:
1. Sybil 節點拒絕中繼某些交易
2. 如果受害者主要連接到 Sybil 節點
3. 受害者的交易無法傳播到礦工

限制:
- 只要有一個誠實連接就會失敗
- 需要配合日蝕攻擊才有效

比特幣的 Sybil 抵抗

工作量證明

// PoW 是核心防禦

共識層面:
- 區塊有效性由 PoW 決定
- 不是由節點數量決定
- 1000 個 Sybil 節點 ≠ 1000 倍投票權

Sybil 節點不能:
- 創建無效區塊
- 修改共識規則
- 偽造交易

但 Sybil 節點可以:
- 影響 P2P 層（非共識層）
- 延遲信息傳播
- 監控網路

AddrMan 設計

// 地址管理器的 Sybil 抵抗

設計特點:
1. 桶隨機化
   bucket = hash(source_group, addr_group)
   - 單一來源無法填滿所有桶

2. 地址老化
   - 舊地址被新地址替換
   - 防止地址囤積

3. 嘗試連接驗證
   - 只有成功連接的地址進入 tried 表
   - 離線節點被逐漸淘汰

4. 來源多樣性
   - 記錄地址來源
   - 限制單一來源的影響

連接限制

// 網路級別限制

1. 每個 /16 網段限制
   - 同一網段最多 2 個出站連接
   - 增加 IP 多樣性要求

2. 出站連接主動選擇
   - 8 個全中繼出站連接
   - 2 個僅區塊中繼連接
   - 由本地節點選擇，不受 Sybil 影響

3. 入站連接驅逐
   - 保護有價值的連接
   - 優先驅逐可疑連接

攻擊成本分析

// 有效 Sybil 攻擊的成本

IP 地址需求:
- 需要大量不同 /16 網段的 IP
- 雲服務商 IP 通常集中在少數網段
- 需要多個提供商或專用資源

計算示例:
目標: 控制 50% 的比特幣節點連接
估計活躍節點: ~15,000
每節點出站連接: 10
總出站連接: 150,000
攻擊者需要: 75,000+ 個有效 IP

成本:
- 雲服務器: $0.5-5/月/IP
- 月成本: $37,500 - $375,000
- 還需要足夠的帶寬和存儲

防護措施

節點運營者

# 1. 添加可信節點
addnode=trusted-friend.example.com:8333
addnode=known-good-node.example.com:8333

# 2. 使用多種網路
# 同時連接 clearnet, Tor, I2P
proxy=127.0.0.1:9050
listen=1
onlynet=ipv4
onlynet=ipv6
onlynet=onion

# 3. 監控連接
bitcoin-cli getpeerinfo | jq '[.[].addr]'
# 檢查連接多樣性

# 4. 限制入站
maxconnections=50  # 減少入站攻擊面

協議改進

// 已實現的改進

1. 錨點連接 (Anchors)
   - 記住上次連接的節點
   - 重啟時優先重連

2. 僅區塊中繼連接
   - 不宣告，難以被發現
   - 增加隱蔽性

3. BIP-324 加密 P2P
   - 防止中間人攻擊
   - 增加監控成本

// 討論中的改進

4. ASMap
   - 使用 AS 號而非 /16 網段
   - 更準確的網路拓撲

5. 聲譽系統
   - 跟蹤節點行為
   - 懲罰惡意行為

檢測 Sybil 節點

// 可能的指標

1. 網段集中
   bitcoin-cli getpeerinfo | \
     jq '[.[].addr | split(":")[0] | split(".")[0:2] | join(".")]
         | group_by(.) | map({subnet: .[0], count: length})
         | sort_by(-.count)'

2. 用戶代理相似
   bitcoin-cli getpeerinfo | \
     jq '[.[].subver] | group_by(.) | map({ua: .[0], count: length})'

3. 連接時間相似
   # 大量節點同時上線可能可疑

4. 行為模式
   # 中繼模式異常
   # 響應時間相似

與其他攻擊的關係

研究論文

• The Sybil Attack (2002) - 原始論文
• Eclipse Attacks on Bitcoin (2015)
• TxProbe (2019) - 交易傳播分析