[論文レビュー] Bitcoin over Tor isn't a good idea

Alex Biryukov, Ivan Pustogarov|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2014

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、BitcoinをTor経由で使用すると深刻なセキュリティ上の脆弱性が生じることを示しており、低リソースの攻撃者が、トランザクションのリレーフローを制御し、複数のセッションにわたってユーザーの偽名を関連付けること、およびマイニングプールと共謀することで二重支出を可能にする、静かで検知しにくい中間者攻撃を実行できることを明らかにしている。攻撃はBitcoinのレピュテーションベースのDoS保護メカニズムとTorのエグジットノードアーキテクチャの弱点を悪用しており、月間コストは2,500ドル未満であると推定されている。

ABSTRACT

Bitcoin is a decentralized P2P digital currency in which coins are generated by a distributed set of miners and transaction are broadcasted via a peer-to-peer network. While Bitcoin provides some level of anonymity (or rather pseudonymity) by encouraging the users to have any number of random-looking Bitcoin addresses, recent research shows that this level of anonymity is rather low. This encourages users to connect to the Bitcoin network through anonymizers like Tor and motivates development of default Tor functionality for popular mobile SPV clients. In this paper we show that combining Tor and Bitcoin creates an attack vector for the deterministic and stealthy man-in-the-middle attacks. A low-resource attacker can gain full control of information flows between all users who chose to use Bitcoin over Tor. In particular the attacker can link together user's transactions regardless of pseudonyms used, control which Bitcoin blocks and transactions are relayed to the user and can \ delay or discard user's transactions and blocks. In collusion with a powerful miner double-spending attacks become possible and a totally virtual Bitcoin reality can be created for such set of users. Moreover, we show how an attacker can fingerprint users and then recognize them and learn their IP address when they decide to connect to the Bitcoin network directly.

研究の動機と目的

• BitcoinとTorを組み合わせた際のセキュリティリスク、特に匿名性と取引整合性に関する調査。
• 攻撃者がBitcoinのDoS保護メカニズムとTorのエグジットノードアーキテクチャの弱点を悪用し、ユーザーを隔離し、取引フローを操作できる仕組みを暴露すること。
• 『アドレスクッキー』を用いたファングプリント技術を実証し、Torセッションをまたいでユーザーを追跡可能にし、直接Bitcoinネットワークに接続した際にIPアドレスを露呈させることを明らかにすること。
• このような攻撃の実行可能性とコストを評価し、最小限のリソースと低コストで実現可能であることを示すこと。
• Bitcoin over Torの展開における同定された脅威を軽減する実用的な対策を提案すること。

提案手法

• Bitcoinのピアレピュテーションシステムを悪用し、Torエグジットノードをブロックさせるようにピアを誘導することで、すべてのBitcoin-over-Torトラフィックを攻撃者制御のエグジットリレーより経由させる。
• 100以上の攻撃者制御ピアを用いたシビル攻撃により、ユーザーのトラフィックを恒久的に制御し、悪意あるノード経由でのルーティングを強制する。
• クライアントのアドレスデータベースに格納された『アドレスクッキー』を介したファングプリント技術を実装し、Torやハネッドサービスを使用しても、複数セッションにわたるユーザーの関連付けを可能にする。
• Torのストリーム隔離機能とエグジットノードの挙動を活用し、低帯域幅で検知されにくい中間者攻撃を実現する。
• 制御されたクライアントを用いて実際のネットワークで攻撃をシミュレート・検証し、トラフィック制御と取引操作の実現可能性を確認する。
• DoS保護のランダム化、Bitcoinトラフィックの認証、Bitcoinピア用の信頼できるオニオンアドレスリストの維持など、対策を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 攻撃者が、レピュテーションベースのDoS保護メカニズムを悪用することで、Tor経由で接続するユーザーのBitcoinトラフィックを完全に制御可能か？
• RQ2 Bitcoin over Torを利用しているユーザーについて、複数のセッションにわたって同一ユーザーの複数のBitcoin偽名をどの程度まで関連付けることができるか？
• RQ3 攻撃者がTorユーザーのBitcoinトラフィックを制御し、マイニングプールと共謀した場合、二重支出攻撃はどの程度現実的か？
• RQ4 このような攻撃の計算コストおよび財務的コストはどの程度で、最小限のリソースで実行可能か？
• RQ5 クライアント側のストレージメカニズム（例：『アドレスクッキー』）を用いて、ユーザーをセッション間でファングプリント可能か？また、Torから離脱した際にIPアドレスが露呈するおそれがあるか？

主な発見

• 攻撃者がTorエグジット帯域幅の1～3％と1,000～1,500台の軽量Bitcoinピアを保持するだけで、すべてのBitcoin-over-Torユーザーの情報フローを完全に制御可能である。
• 攻撃者は、複数のアドレスを使用しても、ユーザーのすべての取引を異なる偽名間で関連付けることができる。
• ネットワークハッシュレートの10～20％を制御するマイニングプールと共謀することで、Bitcoin-over-Torユーザーにとって正当に見える偽のブロックチェーンを生成可能である。
• 攻撃の推定コストは月間2,500ドル未満であり、6台の高帯域幅のTorエグジットリレーや戦略的なピアインジェクションにより実現可能である。
• クライアントのアドレスデータベースに格納された『アドレスクッキー』を介して、ユーザーをセッション間でファングプリント可能であり、直接Bitcoinネットワークに接続した際にIPアドレスが露呈するおそれがある。
• 低帯域幅の使用と既存プロトコル動作との統合により、攻撃は標準監視ツールでは検知されず、静かで検知不能なままである。