Original title:
Viacvrstvová bezpečnostná analýza blockchainových systémov
Translated title:
Cross-Layer Security Analysis of Blockchain Systems
Authors:
Perešíni, Martin ; Weippl, Edgar (referee) ; Gaži, Peter (referee) ; Homoliak, Ivan (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2026
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta informačních technologií Abstract:
[eng][cze]
Bezpečnostné zlyhania blockchainových systémov zriedkavo vyplývajú z prelomenia kryptografie. Častejšie vznikajú z ekonomických stimulových nekompatibilít, chybných protokolových predpokladov a implementačných nedostatkov, ktoré môžu byť naprieč architektonickými vrstvami. Doterajší výskum prevažne analyzuje jednotlivé vrstvy blockchainov izolovane. Avšak takýto prístup nie vždy dokáže detegovať zraniteľnosti, ktoré sa môžu objavovať na hraniciach medzi jednotlivými vrstvami. Predkladaný výskum rieši túto poukázanú bezpečnostnú medzeru prostredníctvom systematickej medzivrstvovej analýzy založenej na bezpečnostnej referenčnej architektúre pre blockchainy. Použitá metodológia kombinuje modelovanie protokolov pomocou teórie hier, rozsiahle diskrétne a stochastické sieťové simulácie, návrh a prototypovanie protokolov, systematickú analýzu 36 kryptomenových peňaženiek a dôkazy s nulovou znalosťou typu zk-SNARK. Na vrstve konsenzu je formálne dokázané, že náhodný výber transakcií v protokoloch Proof-of-Work založených na orientovanom acyklickom grafe netvorí Nashovou rovnováhou. Simulácie s viac ako 8000 uzlami potvrdzujú, že táto zraniteľnosť pretrváva pri realistickom sieťovom rozsahu. Vyhodnotenie sebeckej ťažby s viacerými útočníkmi ukazuje, že prah ziskovosti v Nakamotovom konsenze klesá z 33% pri jednom útočníkovi na približne 14% až 17% pri piatich súčasných útočníkoch, a ukazuje, že Strongchain je konzistentne najodolnejší protokol vo všetkých testovaných konfiguráciách. Na rozhraní medzi konsenzom a sieťovou vrstvou dosahuje protokol Proof-of-Stake s integrovaným cibuľovým smerovaním anonymizáciu navrhovateľa blokov pri priepustnosti približne 110 transakcií za sekundu. Na aplikačnej vrstve formálna taxonómia autentifikácie odhaľuje, že väčšina analyzovaných kryptomenových peňaženiek poskytuje iba jednofaktorovú autorizáciu overovanú blockchainom napriek zdanlivej zložitosti ich rozhrania. Architektúra synchronizácie založená na zk-SNARK znižuje nároky mobilného klienta na úložisko zo 71MB na 3,5MB a nahrádza dôveru v servery tretích strán kryptografickou verifikáciou. Tieto závery a vykonaný výskum spoločne preukazujú, že bezpečnosť blockchainov je vo svojej podstate medzivrstvová vlastnosť, a zároveň poskytujú analytické nástroje, empirické referenčné hodnoty, protokolové mechanizmy a kryptografické návrhy pre budovanie odolnejších decentralizovaných systémov.
Blockchain security failures rarely stem from broken cryptography. They more often arise from incentive incompatibilities, flawed protocol assumptions, and implementation weaknesses that cross the boundaries between architectural layers. Existing research predominantly analyzes consensus, network, and application layers in isolation. This approach often fails to capture vulnerabilities that propagate across layer boundaries. The presented work addresses this gap through a systematic cross-layer security analysis grounded in a Security Reference Architecture for blockchains. The methodology combines game-theoretic modeling; large-scale discrete-event and stochastic simulation; protocol design and prototyping; a systematic survey of 36 cryptocurrency wallets; and zero-knowledge succinct non-interactive arguments of knowledge (zk-SNARKs). At the consensus layer, random transaction selection in Directed Acyclic Graph-based Proof-of-Work protocols is formally proven not to constitute a Nash equilibrium. Simulations with more than 8000 network nodes confirm that discovered incentive vulnerability persists at realistic network scale. A multi-attacker selfish mining evaluation reveals that the profitability threshold in Nakamoto consensus drops from 33% under a single attacker to approximately 14% to 17% per attacker with five simultaneous adversaries, and Strongchain consistently emerges as the most resilient protocol across all tested configurations. At the consensus-network boundary, a Proof-of-Stake protocol with integrated onion routing achieves proposer anonymization at approximately 110 transactions per second. At the application layer, a formal authentication taxonomy reveals that most deployed cryptocurrency wallets provide only single-factor blockchain-verified authorization despite apparent multi-step interfaces. The zk-SNARK-based synchronization architecture reduces mobile client storage from 71MB to 3.5MB and replaces trust in third-party synchronization servers with on-chain cryptographic verification. These contributions collectively demonstrate that blockchain security is an inherently cross-layer property. This research and contributions provide analytical tools, empirical benchmarks, protocol mechanisms, and cryptographic designs for building more resilient decentralized systems.
Keywords:
Bezpečnostná analýza; Bezpečnostná referenčná architektúra; Blockchain; Cibuľové smerovanie; DAG-based blockchainy; Decentralizácia; Konsenzuálne protokoly; Kryptomenové peňaženky; Proof-of-Stake; Proof-of-Work; Sebecká ťažba; Simulácie; Teória hier; zk-SNARKy; Blockchain; Consensus Protocols; Cryptocurrency Wallets; DAG-Based Blockchains; Decentralization; Game Theory; Incentive Attacks; Onion Routing; Proof-of-Stake; Proof-of-Work; Security Analysis; Security Reference Architecture; Selfish Mining; Simulation; zk-SNARKs
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/260579
guest ::
