[論文レビュー] Extending the Anonymity of Zcash

George Kappos, Ania M. Piotrowska|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2019

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、Zcashの匿名性を強化するために、ミックスネットワークをプロキシ層として統合することで、アプリケーション層およびネットワーク層の脱匿名化攻撃から保護する手法を提案する。送信者・受信者間のリンクを曇らせるために、トランザクションメタデータを暗号化し、ミックスサーバーを用いることで、グローバルな受動的敵対者による監視を軽減し、コイン分割のヒューリスティクスを改善することで、Zcashのコア暗号技術を変更せずに、ユーザーの匿名セットを著しく向上させる。

ABSTRACT

Although Bitcoin in its original whitepaper stated that it offers anonymous transactions, de-anonymization techniques have found otherwise. Therefore, alternative cryptocurrencies, like Dash, Monero, and Zcash, were developed to provide better privacy. As Edward Snowden stated, "Zcash's privacy tech makes it the most interesting Bitcoin alternative (...) because the privacy properties of it are truly unique". Zcash's privacy is based on peer-reviewed cryptographic constructions, hence it is considered to provide the foundations for the best anonymity. However, even Zcash makes some privacy concessions. It does not protect users' privacy in the presence of a global adversary who is able to observe the whole network, and hence correlate the parties exchanging money, by using their network addresses. The recent empirical analysis of Zcash shows, that users often choose naive ways while performing the protocol operations, not realizing that it degrades their anonymity. In this talk, we will discuss an extension of Zcash using mix networks to enhance the privacy guarantees of users that choose to remain anonymous by tackling two major security challenges: one at the application layer of the scheme and one at its network layer.

研究の動機と目的

• ZcashがP2Pネットワークを監視するグローバルな受動的敵対者によって脱匿名化される脆弱性に対処すること。
• ユーザーが単一のzアドレスに全コイン額を単純に送信することによって引き起こされるアプリケーション層の脱匿名化を是正すること。
• ミックスネットワークを活用して、取引の送信元および宛先メタデータを曇らせる仕組みを提供し、ユーザーの匿名性を向上させること。
• ユーザーが匿名性を強化するためのプライベートな取引パターンを採用するための実用的インcentiveとガイダンスを提供すること。
• ミックスネットワークをZcashに統合する際の実現可能性とパフォーマンスのトレードオフを評価すること、特に遅延とカバーフライト要件を含む。

提案手法

• ZcashユーザーとP2Pネットワークの間に、エンドツーエンドの階層的暗号化を用いたマルチホップミックスネットワークをプロキシとして統合する。
• 最初のミックスサーバーはユーザーのネットワークアドレスを学習するが、以降のサーバーは前のホップと次のホップしか知らないため、単一のノードが全パスを学習することは不可能になる。
• 最終のミックスサーバーが暗号を解除した取引をZcashネットワークにブロードキャストし、取引がブロックチェーンにのみ表示されるようにする。
• ミックスサーバーをアドバイザーとして活用し、過去のプールへの預け入れを分析し、匿名セットを最大化する最適なコイン分割戦略を推奨する。
• トラフィック分析を防ぐために、調整可能なカバーフライトとホップごとの遅延を導入し、遅延のオーバーヘッドを最小限に抑える。
• ユーザーが同じ取引を複数のミックスカスケードに送信できるようにすることで、悪意あるミックスノードによるDoS攻撃に耐性を付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバルな受動的敵対者がP2Pネットワーク全体を監視する状況下で、ミックスネットワークをZcashのアーキテクチャに効果的に統合する方法は何か？
• RQ2 ユーザーにとって実用的であると同時に匿名セットを最大化する最適なコイン分割戦略は何か？
• RQ3 Zcash向けに低遅延ミックスネットワークを運用する際、トラフィック分析を防ぐために必要なカバーフライト量はどの程度か？
• RQ4 特に悪意あるミックスノードの挙動を想定した場合、暗号通貨文脈におけるミックスネットワークのパフォーマンスと信頼性のトレードオフは何か？
• RQ5 ユーザーがプライベート取引を採用し、推奨されるコイン分割パターンに従うようにインcentivizeするにはどうすればよいか？

主な発見

• ミックスネットワークの統合により、グローバルな受動的敵対者がネットワークレベルのメタデータに基づいて取引を相関させることを効果的に防げる。
• ミックスサーバーがコイン分割戦略を助言することで、ユーザーの匿名セットが拡大し、取引パターン分析による脱匿名化リスクが低下する。
• 調整可能なカバーフライトとホップごとの遅延を用いることで、低遅延動作を実現しながらも、トラフィック分析に対する強い匿名性保証が得られる。
• 悪意あるミックスノードはパケットを破棄するDoS攻撃しか行えないが、取引の改ざんは不可能であり、ユーザー資産の整合性は保たれる。
• 複数のミックスカスケードを経由して取引を送信することで、改ざんされたミックスノードへの耐性が向上し、取引の改ざん可能性のリスクは上昇しない。
• 適切にチューニングすれば、最小限の遅延オーバーヘッドしか発生しないため、ユーザーエクスペリエンスを損なわずに実世界への展開が可能であると示唆される。