[論文レビュー] Hijacking Bitcoin: Large-scale Network Attacks on Cryptocurrencies.

Maria Apostolaki, Aviv Zohar+1 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2016

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 19被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、BGPプレフィックスハイジャックを用いて900未満のプレフィックスで、マイニングパワーの50％を隔離するなど、ビットコインにおける大規模なネットワークレベルの攻撃が実現可能であることを示している。攻撃は、ルーティングおよびマイニングの集中化と、暗号化および認証のないメッセージ送信の組み合わせを悪用し、無駄なマイニングパワーと二重支出のリスクを引き起こすことで、著しい混乱と収益損失をもたらす。

ABSTRACT

Bitcoin is without a doubt the most successful cryptocurrency in circulation today, making it an extremely valuable target for attackers. Indeed, many studies have highlighted ways to compromise one or several Bitcoin nodes. In this paper, we take a different perspective and study the effect of large-scale network-level attacks such as the ones that may be launched by Autonomous Systems (ASes). We show that attacks that are commonly believed to be hard, such as isolating 50% of the mining power, are actually within the reach of anyone with access to a BGP-enabled network and hijacking less than 900 prefixes. Once on path, AS-level adversaries can then partition the Bitcoin network or delay block propagation significantly. The key factors that enable these attacks are the extreme centralization of Bitcoin, both from a routing and a mining perspective, along with the fact that Bitcoin messages are sent unencrypted, without integrity guarantees. We demonstrate the feasibility of large-scale attacks in practice against the deployed Bitcoin software and quantify their disruptive network-wide impact. The potential damage to Bitcoin is severe. By isolating a part of the network or delaying the propagation of blocks, network-level attackers can cause a significant amount of mining power to be wasted, leading to revenue losses and enabling a wide range of attacks such as double spending. We provide several suggestions on approaches to mitigate such attacks employing both short-term and long-term measures.

研究の動機と目的

• ビットコインのネットワークインフラに標的を定めた、大規模なネットワークレベルの攻撃が実際に可能かどうかを調査すること。
• BGPアクセスを持つ自律システム（AS）が、プレフィックスハイジャックを用いてビットコインのピアツーピアネットワークをどのように妨害できるかを分析すること。
• このような攻撃がブロックプロパゲーション遅延およびネットワーク分離に与える影響を定量化すること。
• ルーティングおよびマイニングの集中化、およびビットコイン通信プロトコルにおけるメッセージ整合性の欠如といった、脆弱性の根本的原因を特定すること。
• ビットコインのインフラレベルの脅威に対して耐性を高めるための短期的および長期的対策を提案すること。

提案手法

• 研究者たちは、中央集権化のポイントを特定するために、ビットコインのネットワークトポロジーおよびルーティングインfraストラクチャのスケールの大きな計測調査を実施した。
• 実世界のAS設定を用いてBGPプレフィックスハイジャック攻撃をシミュレートし、標的となるマイニングプールの到達可能性および隔離可能性を評価した。
• ライブなビットコインネットワークデータを用いて、さまざまなハイジャックシナリオ下でのブロックプロパゲーション遅延およびネットワーク分離の影響を測定した。
• 中間者攻撃およびリプレイ攻撃に対するネットワークの耐性に与える、暗号化および認証のないメッセージ送信の影響を評価した。
• ネットワーク層での操作によって大規模な混乱を引き起こす原因となるプロトコルレベルの弱みを同定するために、ビットコインプロトコルスタックを分析した。
• 攻撃表面を低減するための緩和技術、すなわちBGPセキュリティ強化、メッセージ認証、ルーティングポリシー強化を提案および評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BGPアクセスを持つASが、限定された数のプレフィックスで、ビットコインのマイニングパワーの著しい割合を隔離できる範囲はどの程度か？
• RQ2 ネットワークレベルでのハイジャックは、ビットコインネットワークにおけるブロックプロパゲーション遅延および合意形成の整合性にどのように影響するか？
• RQ3 ビットコインのルーティングおよびマイニングインfraストラクチャの集中化が、大規模なネットワーク攻撃を可能にする役割は何か？
• RQ4 メッセージの暗号化および整合性チェックの欠如が、ネットワークレベルの侵害リスクをどのように悪化させるか？
• RQ5 実際の環境で、このような攻撃の実行可能性と影響を低減するための実用的な緩和戦略は何か？

主な発見

• BGP対応ネットワークへのアクセスを持つ攻撃者は、900未満のプレフィックスをハイジャックすることで、最大でビットコインのマイニングパワーの50％を隔離できる。
• シミュレーションでは最大数秒にのぼるブロックプロパゲーション遅延が観測され、スターリングブロックおよびオーファンブロックのリスクが著しく上昇した。
• ネットワーク分離攻撃により、競合チェーンに対する無駄な計算努力が生じ、測定可能なマイニング収益損失が発生した。
• ビットコインのルーティングおよびマイニングインfraストラクチャの極端な集中化は、ネットワーク層での操作によって悪用可能な単一障害点を形成している。
• ピアツーピアプロトコルにおけるエンドツーエンドのメッセージ認証および暗号化の欠如により、スケールの大きな中間者攻撃およびリプレイ攻撃が効果的に可能である。
• 本研究は、このような攻撃が理論的ではなく、既存のネットワークインfraストラクチャおよびツールを用いて実際に実現可能であることを確認した。