[論文レビュー] SABRE: Protecting Bitcoin against Routing Attacks

Maria Apostolaki, Gian Marti+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 24被引用数 8

ひとこと要約

SABREは、BGP保護された経済的に好ましい場所にリレーサービスを配置し、P4でプログラマブルなネットワークハードウェアにブロックリレーリンクをオフロードすることで、ASレベルのルーティング攻撃から保護するセキュアで部分的デプロイ可能なリレーネットワークを提案する。6台のノードのみで、96%のAS攻撃者に対して80%のクライアントを保護できる。

ABSTRACT

Routing attacks remain practically effective in the Internet today as existing countermeasures either fail to provide protection guarantees or are not easily deployable. Blockchain systems are particularly vulnerable to such attacks as they rely on Internet-wide communication to reach consensus. In particular, Bitcoin -the most widely-used cryptocurrency- can be split in half by any AS-level adversary using BGP hijacking. In this paper, we present SABRE, a secure and scalable Bitcoin relay network which relays blocks worldwide through a set of connections that are resilient to routing attacks. SABRE runs alongside the existing peer-to-peer network and is easily deployable. As a critical system, SABRE design is highly resilient and can efficiently handle high bandwidth loads, including Denial of Service attacks. We built SABRE around two key technical insights. First, we leverage fundamental properties of inter-domain routing (BGP) policies to host relay nodes: (i) in locations that are inherently protected against routing attacks; and (ii) on paths that are economically preferred by the majority of Bitcoin clients. These properties are generic and can be used to protect other Blockchain-based systems. Second, we leverage the fact that relaying blocks is communication-heavy, not computation-heavy. This enables us to offload most of the relay operations to programmable network hardware (using the P4 programming language). Thanks to this hardware/software co-design, SABRE nodes operate seamlessly under high load while mitigating the effects of malicious clients. We present a complete implementation of SABRE together with an extensive evaluation. Our results demonstrate that SABRE is effective at securing Bitcoin against routing attacks, even with deployments as small as 6 nodes.

研究の動機と目的

• BGPハッキングなどのASレベルのルーティング攻撃によってネットワークが分割され、二重支出が可能になるというBitcoinの脆弱性に対処すること。
• グローバルプロトコル変更や広範なデプロイメントを必要としない、強固なセキュリティ保証を提供するシステムを設計すること。
• 2台のリレーサービスノードからでも開始できる最小限のデプロイメントで、早期のセキュリティ利点を得られること。
• ハードウェア/ソフトウェアの共同設計により、リレーサービス自体をDDoSその他の攻撃から保護すること。
• BGPポリシーの固有の性質を活用し、攻撃者がリレーサービス間の接続を迂回できないようにすること。

提案手法

• リレーサービスノードを、互いにピア関係にあり顧客を持たないASに配置することで、BGPハッキングがリレーデータを再ルーティングできないように保証する。
• ルーティングの魅力を最大化し、傍受リスクを最小限に抑えるために、クライント接続性を考慮したリレーサービスの配置場所を選定する。
• P4プログラミングを活用して、ブロックリレーリング処理をプログラマブルネットワークスイッチにオフロードし、CPU負荷を低減するとともにスルーレートを向上させる。
• 動的アクセスリストとキャッシュを備えたUDPベースのクライントプロトコルを実装し、予測可能で高頻度のブロックリクエストを効率的に処理する。
• ブロック伝搬の通信集約性を活かし、ハードウェアアクセラレーションを優先することで、悪意ある負荷下でもTbpsスケールの性能を実現する。
• データプレーンでトラフィックを処理し、頻繁に要求されるブロックをキャッシュすることで、DDoSに対して耐性を持つ設計を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分的デプロイメントと既存のインターネットインfraストラクチャのみを用いて、ASレベルのルーティング攻撃からBitcoinリレーネットワークを保護できるか？
• RQ2 BGPポリシーの性質を活用して、BGPハッキングに対して本質的に無効な場所にリレーサービスを配置できるか？
• RQ3 プログラマブルネットワークハードウェア（P4）が、通信集約的なブロックリレーリングワークロードを効果的に処理し、DDoS攻撃を緩和できるか？
• RQ4 大多数のBitcoinクライアントを強固に保護するために必要なリレーサービスノードの最小数は何か？
• RQ5 Bitcoinプロトコルの変更や新しい標準のグローバルデプロイメントを必要とせずに、安全なリレーネットワークを構築できるか？

主な発見

• SABREは、最悪ケースのデプロイメント状況下でも、6台のリレーサービスノードで96%のAS攻撃者に対して80%のBitcoinクライアントを保護できる。
• 現在のインターネットにおいて、BGPピア・ツー・ピア関係にあり顧客を持たない2,000以上のASが、安全なリレーサービス配置場所として適している。
• P4ベースのハードウェアオフロード設計により、SABREノードはデータプレーンでトラフィックを処理することで、DDoS攻撃下でもTbpsスケールのトラフィック負荷を維持できる。
• リレーサービスノードの配置とレプリケーションの耐性のおかげで、攻撃者がネットワークの50%のASを制御しても、システムは依然として効果を発揮する。
• 動的アクセスリストとキャッシュを備えたUDPベースのクライントプロトコルにより、ブロック伝搬の遅延が低減され、スケーラビリティが向上する。
• SABREは、Bitcoinプロトコルの変更やBGPセキュリティ拡張（例：RPKI）のグローバルデプロイメントを必要とせず、強固なセキュリティ保証を提供する。