Détection de vulnérabilités sur les couches 2 de blockchains publiques

Detection of vulnerabilities on the layers 2 of public blockchains

• Auteur / Autrice : Karolina Gorna
• Direction : Rida Khatoun
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Informatique, données, IA
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : C² - Cybersécurité et Cryptographie

Mots clés

Mots clés libres

Vulnérabilités

Blockchain

Couche 2

Machine Virtuelle

Sécurité

Vulnerabilities

Blockchain

Layer 2

Virtual Machine

Security

Résumé

Malgré leurs existences depuis plus de dix ans, les réseaux blockchains publiques sont encore très régulièrement attaqués, que ce soit aux niveaux protocolaires ou applicatifs. Leurs couches principales, communément appelées couches 1, sont composées de nœuds validateurs ou mineurs qui communiquent entre eux afin de créer des blocs contenant des transactions de valeurs ou d'informations. Elles sont enregistrées dans une base de données commune stockée à l'intérieur de chaque client logiciel régissant les nœuds du réseau. Ces nœuds sont organisés autour d'un protocole de consensus, dont la nature et l'implémentation varie selon les blockchains. Elles doivent partager néanmoins toutes les caractères décentralisés et incensurables. En contrepartie de l'entretien du réseau, les nœuds reçoivent des jetons générés nativement par le protocole de la blockchain. Ces jetons peuvent ensuite être échangés librement sur le réseau, moyennant une valeur financière basée sur l'offre et la demande. Pour modérer la quantité de transactions et la complexité des opérations, des frais variables sont systématiquement associés aux transactions, en faisant d'une majorité des blockchains, de facto, des machines de Turing quasi-complètes. Dès 2020, des problématiques de congestion des couches 1, notamment Ethereum, apparaissent du fait de leur forte utilisation. Cela se traduit par une explosion des frais de transactions : il y a beaucoup d'utilisateurs et pas assez de nœuds pour répondre à la demande. L'implémentation de couches secondaires, appelées couches 2, est nécessaire afin de déléguer une partie des tâches d'exécution ne pouvant pas être traitées par les nœuds de couche 1. Ainsi, on voit la construction de différents types de couches 2 : les canaux à états, les plasmas et les rollups. Actuellement, les rollups sont majoritairement utilisés pour leur caractère hybride, qui déplace le calcul et le stockage d'état hors de la couche 1 de la blockchain, tout en conservant certaines données par transaction sur cette même couche. Certains rollups reprennent la même architecture de machine virtuelle de leurs clients logiciel que les clients utilisés par les couches 1, en mettant en avant que les mêmes outils de développement et de sécurité peuvent y être utilisés. D'autres, choisissent de modifier profondément leur machine virtuelle pour améliorer la performance d'exécution des opérations. Toutes ces solutions prônent un niveau de sécurité équivalent aux couches 1, mais très peu d'études académiques se penchent sur l'exactitude de cette information. Cette thèse explore donc les possibles méthodes de détection de vulnérabilités sur ces nouveaux types de réseaux, les couches 2 de blockchains publiques.

Despite having existed for more than ten years, public blockchain networks are still regularly attacked, both at the protocol and application levels. Their main layers, commonly known as layer 1, are made up of validator nodes or miners that communicate with each other to create blocks containing transactions of values or information. These are recorded in a common database stored inside each software client governing the network nodes. These nodes are organised around a consensus protocol, which the nature and the implementation varies from one blockchain to another. They must nevertheless be both decentralised and uncensurable. In return for maintaining the network, the nodes receive coins generated natively by the blockchain protocol. These coins can then be freely exchanged on the network, for a financial value based on supply and demand. To moderate the number of transactions and the complexity of operations, variable fees are systematically associated with transactions, making most blockchains de facto quasi-complete Turing machines. From 2020 onwards, problems of congestion on layers 1, particularly Ethereum, have arisen as a result of their intensive use. The impact of that is an explosion of transaction fees: there are a lot of users and not enough nodes to meet demand. The implementation of secondary layers, known as layers 2, was necessary in order to delegate some of the execution tasks that could not be handled by layer 1 nodes. Therefore, different types of layer 2 have been created : state channels, plasmas and rollups. Currently, rollups are mainly used for their hybrid nature, which moves the calculation and state storage away from layer 1 of the blockchain, while retaining certain data per transaction on this same layer. Some rollups use the same virtual machine architecture for their software clients as the clients used by layer 1, emphasising that the same development and security tools can be used. Others choose to make radical changes to their virtual machine to improve the performance of operations. All these solutions claim a level of security equivalent to layer 1, but very few academic studies have examined the accuracy of this information. This thesis therefore explores possible methods for detecting vulnerabilities on these new types of networks, the layer 2 public blockchains.