[論文レビュー] Bitcoin and Blockchain: Security and Privacy

Ehab Zaghloul, Tongtong Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 52被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ビットコインのセキュリティとプライバシー上の課題を分析し、二重支出攻撃、ピアツーピアネットワークの脆弱性、ウォレットの保存リスクに焦点を当てる。確率的モデルを用いて攻撃の利益を評価し、ネットワークパワーの50％未満の攻撃者は最終的になかなか成功しないことを示し、取引の速度とセキュリティの信頼性の間のトレードオフを強調する。

ABSTRACT

A cryptocurrency is a decentralized digital currency that is designed for secure and private asset transfer and storage. As a currency, it should be difficult to counterfeit and double-spend. In this paper, we review and analyze the major security and privacy issues of Bitcoin. In particular, we focus on its underlying foundation, blockchain technology. First, we present a comprehensive background of Bitcoin and the preliminary on security. Second, the major security threats and countermeasures of Bitcoin are investigated. We analyze the risk of double-spending attacks, evaluate the probability of success in performing the attacks and derive the profitability for the attacker to perform such attacks. Third, we analyze the underlying Bitcoin peer-to-peer network security risks and Bitcoin storage security. We compare three types of Bitcoin wallets in terms of security, type of services and their trade-offs. Finally, we discuss the security and privacy features of alternative cryptocurrencies and present an overview of emerging technologies today. Our results can help Bitcoin users to determine a trade-off between the risk of double-spending attempts and the transaction time delay or confidence before accepting transactions. These results can also assist miners to develop suitable strategies to get involved in the mining process and maximize their profits.

研究の動機と目的

• ビットコインのブロックチェーンアーキテクチャおよび取引メカニズムに内在するセキュリティとプライバシーのリスクを分析すること。
• 異なるネットワーク状態下での二重支出攻撃の実行可能性と利益の妥当性を評価すること。
• ホット、コールド、ペーパーの異なるビットコインウォレットタイプ間のセキュリティのトレードオフを評価すること。
• ピアツーピアインフラにおけるネットワークレベルの脅威を検討し、それらの影響を分析すること。
• アルトコインや新たなブロックチェーン技術におけるプライバシー強化技術の探求。

提案手法

• チェーンレースのダイナミクスに基づいて、二重支出攻撃の成功確率を計算する2つの確率的モデルを用いる。
• マイニングコストと報酬を考慮した利益モデルを適用し、攻撃者の経済的インcentiveを特定する。
• セキュリティ、使いやすさ、脅威表面の観点から、ホット、コールド、ペーパーの3つのビットコインウォレットタイプを比較分析する。
• P2Pビットコインネットワークにおけるエクリプス攻撃やシビル攻撃などのネットワークレベルのリスクを分析する。
• CryptoNoteベースのブロックチェーンにおけるトレーサブルリング署名やワンタイムリング署名といったプライバシー保護プロトコルをレビューする。
• 新たな合意形成メカニズムを含む、セキュリティとプライバシーの向上を目的としたアルトコインにおける新技術を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重支出攻撃の成功確率は何か？ そして、ネットワーク状態に応じてどのように変化するか？
• RQ2 二重支出攻撃を実行する経済的収益性は何か？ また、攻撃者の計算パワーに依存するか？
• RQ3 異なるビットコインウォレットタイプ（ホット、コールド、ペーパー）は、セキュリティ、使いやすさ、リスク露出の観点でどのように比較できるか？
• RQ4 ビットコインのP2Pネットワークにおける主な脆弱性は何か？ そして、それらがシステムの整合性に与える影響は？
• RQ5 CryptoNoteベースのアルトコインにおける新たなプライバシー保護プロトコルは、ビットコインのプライバシー制限をどの程度改善できるか？

主な発見

• ネットワークハッシュレートの50％未満の攻撃者は、ブロックチェーンを延長するレースで最終的に敗北するため、長期的には二重支出攻撃は利益を上げない。
• 確認数が増えるにつれて、二重支出攻撃の成功確率は指数関数的に低下し、取引の遅延と取り消しリスクの明確なトレードオフが成立する。
• ホットウォレットは使いやすさに優れるが、リモートでの改ざんのリスクがある。一方、コールドおよびペーパー・ウォレットは、利便性の低下を犠牲にしてもより高いセキュリティを提供する。
• ビットコインのP2Pネットワークは、悪意あるノードが参加し、取引の伝搬を操作できるため、エクリプス攻撃やシビル攻撃に対して本質的に脆弱である。
• ビットコインの公開レジャー設計は、ユーザーのプライバシーを本質的に損なうものであり、一般的な誤解とは異なり、匿名性を有さない。
• CryptoNoteベースのシステムにおけるワンタイムリング署名のような新技術は、二重支出を検出・防止できるが、取引検証とスケーラビリティの面で新たな課題を引き起こす。