[論文レビュー] Hijacking Bitcoin: Routing Attacks on Cryptocurrencies

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

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 28被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、BGPハイジャックおよびパス内干渉を介したルーティング攻撃がビットコインに脆弱であることを示しており、100未満のBGPプレフィックスを操作するだけで、マイニングプールを隔離したりブロック伝搬を遅延させたりできる。研究では、こうした攻撃により50％のマイニングパワーが遮断され、ブロック伝搬が最大20分遅れる可能性があることが示され、実世界のルーティングおよびビットコイントポロジーのデータを用いて実用性が確認された。

ABSTRACT

As the most successful cryptocurrency to date, Bitcoin constitutes a target of choice for attackers. While many attack vectors have already been uncovered, one important vector has been left out though: attacking the currency via the Internet routing infrastructure itself. Indeed, by manipulating routing advertisements (BGP hijacks) or by naturally intercepting traffic, Autonomous Systems (ASes) can intercept and manipulate a large fraction of Bitcoin traffic. This paper presents the first taxonomy of routing attacks and their impact on Bitcoin, considering both small-scale attacks, targeting individual nodes, and large-scale attacks, targeting the network as a whole. While challenging, we show that two key properties make routing attacks practical: (i) the efficiency of routing manipulation; and (ii) the significant centralization of Bitcoin in terms of mining and routing. Specifically, we find that any network attacker can hijack few (<100) BGP prefixes to isolate ~50% of the mining power---even when considering that mining pools are heavily multi-homed. We also show that on-path network attackers can considerably slow down block propagation by interfering with few key Bitcoin messages. We demonstrate the feasibility of each attack against the deployed Bitcoin software. We also quantify their effectiveness on the current Bitcoin topology using data collected from a Bitcoin supernode combined with BGP routing data. The potential damage to Bitcoin is worrying. By isolating parts of the network or delaying block propagation, attackers can cause a significant amount of mining power to be wasted, leading to revenue losses and enabling a wide range of exploits such as double spending. To prevent such effects in practice, we provide both short and long-term countermeasures, some of which can be deployed immediately.

研究の動機と目的

• ビットコインのピアツーピアネットワークインfra構造に対するルーティングレベルの攻撃の実現可能性と影響を分析すること。
• ASレベルの攻撃者がルーティングの集中化を悪用して、ビットコインノードを分割するか、ブロック伝搬を遅延させることの仕組みを調査すること。
• ライブのBGPおよびビットコインスーパーノードデータを用いて、こうした攻撃の現実世界での有効性を定量化すること。
• これらの脅威を緩和するための実用的で短期的および長期的な対策を提案すること。
• ビットコインのルーティングおよびマイニングの集中化の結果、わずかなスケールのルーティング操作でも重大なネットワーク混乱を引き起こしうることを示すこと。

提案手法

• ビットコインを標的としたルーティング攻撃の分類法を構築し、分割攻撃と遅延攻撃を区別した。
• 実世界のBGPルーティングデータとビットコインスーパーノードのトラフィックを収集し、ネットワークトポロジーをマッピングし、脆弱なASを同定した。
• BGPプレフィックスハイジャックをシミュレートして、標的のビットコインノードを隔離し、ネットワーク分割への影響を測定した。
• 重要なビットコインメッセージ（例：ブロック伝搬）を変更することでパス内干渉を実行し、メッセージ内容を変更せずに伝搬を遅延させた。
• UDPハートビートとマルチコネクションブロックリクエストを用いて、ビットコインクライアントの部分的インターセプトに対するレジリエンスを評価した。
• ランダムポート、暗号化された制御チャネル、ハートビートメカニズムなどの対策を提案・評価し、操作の検出および防止を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ASレベルの攻撃者がBGPハイジャックを用いて、どの程度ビットコインネットワークを分割できるか？
• RQ2 顕著な割合のビットコインマイニングパワーを隔離するために、何個のBGPプレフィックスが必要か？
• RQ3 パス内攻撃者は検知されずにブロック伝搬を遅延できるか？また、最大どの程度遅延できるか？
• RQ4 マイニングプールおよびルーティングインfraの集中化が、ルーティング攻撃の影響をどのように拡大させるか？
• RQ5 こうした攻撃のリスクを即座に低減できる実用的対策は何か？

主な発見

• 攻撃者は、100未満のBGPプレフィックスをハイジャックすることで、マルチホームなマイニングプールを含め、約50％のビットコインマイニングパワーを隔離できる。
• パス内攻撃者は、少数の重要なビットコインメッセージを意図的に変更することで、ブロック伝搬を最大20分遅延させられる。
• 実世界のビットコインスーパーノードおよびBGPルーティングテーブルからのデータを用いて、攻撃が実用的に行えることが実証された。
• ビットコインがデフォルトポート8333に依存し、暗号化された制御チャネルを備えていないため、トラフィックの識別およびインターセプトに対して極めて脆弱である。
• ASレベルでのビットコインノードおよびマイニングプールの集中化が、ルーティングベースの攻撃の攻撃面を著しく拡大している。
• ランダムポート、UDPハートビート、マルチコネクションブロックリクエストなどの実装可能な対策は、検知不能な操作のリスクを効果的に低減できる。