[論文レビュー] Validating IP Prefixes and AS-Paths with Blockchains

Ilias Sfirakis, Vasileios Kotronis|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2019

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 21被引用数 6

ひとこと要約

この論文では、BGP や RPKI を変更せずに、IPプレフィックスの割り当てと BGP ASパスの検証を可能にする、パassiveでブロックチェーンベースのシステムを提案する。シンプルなプルーフ・オブ・ワーク（PoW）ブロックチェーンを用いてルーティング取引を記録・暗号的に検証し、最小限の展開コストでリアルタイムでのハイジャックや誤設定の検出を可能にする。標準的なハードウェアでも低遅延で実現可能であり、実際の負荷下でも実用性を示している。

ABSTRACT

Networks (Autonomous Systems-AS) allocate or revoke IP prefixes with the intervention of official Internet resource number authorities, and select and advertise policy-compliant paths towards these prefixes using the inter-domain routing system and its primary enabler, the Border Gateway Protocol (BGP). Securing BGP has been a long-term objective of several research and industrial efforts during the last decades, that have culminated in the Resource Public Key Infrastructure (RPKI) for the cryptographic verification of prefix-to-AS assignments. However, there is still no widely adopted solution for securing IP prefixes and the (AS-)paths leading to them; approaches such as BGPsec have seen minuscule deployment. In this work, we design and implement a Blockchain-based system that (i) can be used to validate both of these resource types, (ii) can work passively and does not require any changes in the inter-domain routing system (BGP, RPKI), and (iii) can be combined with currently available systems for the detection and mitigation of routing attacks. We present early results and insights w.r.t. scalability.

研究の動機と目的

• BGPsec などのBGPセキュリティメカニズムの広範な展開が不足していること、およびRPKIがマルチホップASパスの改ざんを検出できないという限界を解消すること。
• BGP や RPKI を変更せずに、IPプレフィックスの割り当てとBGPパスのアナウンスを検証する、軽量でパssiveなブロックチェーンシステムを設計すること。
• 既存のルーティング検証システム（例：RPKI や BGPハイジャック検出ツール）との段階的展開と統合を可能にすること。
• 通常のインターネット制御プレーントラフィック負荷下でもスケーラビリティとリアルタイム性能を確保すること。
• 商用ハードウェアで最小限の要件で動作するオープンソースプロトタイプを提供すること。

提案手法

• システムは、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）を用いて、許可なしのブロックチェーンにIPプレフィックスの割り当て・取消し、およびBGPパスのアナウンス・キャンセルを、改ざんできない取引として記録する。
• 各取引は暗号的に署名され、直前のブロックとリンクされ、ルーティング状態変更の改ざん不能なログが構築される。
• システムはパssiveに動作し、BGP更新を観測してそれらをブロックチェーン取引に変換するが、BGP やルーティングプロトコルを変更しない。
• 検証は、取引の暗号的整合性とブロックチェーンへの含まれることをチェックすることで実施され、不正または誤ったアナウンスの検出が可能になる。
• ブロックチェーンは標準サーバー上でホスティングされ、PoWの難易度を変えて性能を評価することで、スケーラビリティと応答性を検証する。
• RPKIと相互運用可能であり、ROA（ルートオリジン認証）を事実として取り込み、検証結果を外部のハイジャック検出ツールに供給できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BGP や RPKI を変更せずに、IPプレフィックスの割り当てとBGP ASパスアナウンスを、パssiveブロックチェーンシステムで効果的に検証できるか？
• RQ2 特にバースト的なBGP更新イベントが発生する状況下でも、実際のインターネット規模の取引負荷下で、このシステムはどのように動作するか？
• RQ3 PoW難易度を調整した場合、マイニング速度（遅延）とブロックチェーンの堅牢性の間にはどのようなトレードオフが生じるか？
• RQ4 このシステムは、既存のルーティングセキュリティメカニズムとどの程度段階的に展開・統合できるか？
• RQ5 商用ハードウェアでも、許容可能なパフォーマンスで、ルーティング取引のリアルタイム検証をブロックチェーンが達成できるか？

主な発見

• システムは、IPプレフィックスの割り当て・取消し、BGPパスのアナウンス・キャンセルを、エンドツーエンドの暗号的整合性を保ちながら記録・検証している。
• PoW難易度が4つの先行ゼロの場合、BGPパスアナウンスのマイニング遅延は平均0.2秒で、6つの先行ゼロでは54.7秒にまで上昇し、速度とセキュリティの明確なトレードオフが確認された。
• 標準的なハードウェア（4コアCPU、16GB RAM）でも、中程度から高負荷の状況下でバックログが発生せず、実際の取引負荷を処理可能である。
• 5つの先行ゼロの場合の平均マイニング時間は3.1秒、90百分位数は8秒であり、変動する負荷下でも一貫性のあるパフォーマンスを示している。
• 取引がブロードキャストされた直後に即座に検証されるため、リアルタイム検証が可能であり、ライブなハイジャック検出に適している。
• プロトタイプはオープンソースであり、RPKIと互換性があり、ROAを事実として利用し、既存の検出パイプラインを強化できる。