[논문 리뷰] Bitcoin and Blockchain: Security and Privacy

Ehab Zaghloul, Tongtong Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 25.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 52인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 아키텍처와 거래 메커니즘 내재의 보안 및 프라이버시 위험을 분석한다. 특히 이중 지출 공격, 피어 투 피어 네트워크 취약성, 월렛 저장 위험에 초점을 맞추며, 확률 모델을 사용해 공격 수익성을 평가하고, 네트워크 파워의 50% 미만을 가진 공격자는 결국 실패하게 되며, 이는 거래 속도와 보안 신뢰도 사이의 상충 관계를 드러낸다.

ABSTRACT

A cryptocurrency is a decentralized digital currency that is designed for secure and private asset transfer and storage. As a currency, it should be difficult to counterfeit and double-spend. In this paper, we review and analyze the major security and privacy issues of Bitcoin. In particular, we focus on its underlying foundation, blockchain technology. First, we present a comprehensive background of Bitcoin and the preliminary on security. Second, the major security threats and countermeasures of Bitcoin are investigated. We analyze the risk of double-spending attacks, evaluate the probability of success in performing the attacks and derive the profitability for the attacker to perform such attacks. Third, we analyze the underlying Bitcoin peer-to-peer network security risks and Bitcoin storage security. We compare three types of Bitcoin wallets in terms of security, type of services and their trade-offs. Finally, we discuss the security and privacy features of alternative cryptocurrencies and present an overview of emerging technologies today. Our results can help Bitcoin users to determine a trade-off between the risk of double-spending attempts and the transaction time delay or confidence before accepting transactions. These results can also assist miners to develop suitable strategies to get involved in the mining process and maximize their profits.

연구 동기 및 목표

• 비트코인의 블록체인 아키텍처와 거래 메커니즘에 내재된 보안 및 프라이버시 위험을 분석하는 것.
• 다양한 네트워크 조건 하에서 이중 지출 공격의 실현 가능성과 수익성 평가.
• 핫 월렛, 콜드 월렛, 페이퍼 월렛 등 다양한 비트코인 월렛 유형 간의 보안 트레이드오프 평가.
• 피어 투 피어 인프라 내 네트워크 수준의 위협 분석 및 영향 평가.
• 알트코인 및 새로운 블록체인 기술에서의 프라이버시 향상 기술 탐색.

제안 방법

• 체인 레이스 역학을 기반으로 이중 지출 공격의 성공 가능성을 계산하기 위해 두 가지 확률 모델을 사용한다.
• 채굴 비용과 보상 요소를 고려해 공격자의 경제적 유인성을 평가하기 위해 수익성 모델을 적용한다.
• 보안, 사용성, 위협 표면을 기준으로 핫, 콜드, 페이퍼 월렛 세 가지 비트코인 월렛 유형을 비교한다.
• P2P 비트코인 네트워크 내 이클립스 공격 및 시빌 공격과 같은 네트워크 수준의 위험을 분석한다.
• 크립토누 기반 블록체인에서의 추적 가능 린 서명 및 일회용 린 서명과 같은 프라이버시 보존 프로토콜을 검토한다.
• 새로운 합의 메커니즘을 포함해 보안 및 프라이버시를 향상시키는 데 목표를 둔 알트코인의 새로운 기술 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 지출 공격의 성공 확률은 무엇이며, 네트워크 조건에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 이중 지출 공격을 시행할 경우 경제적 수익성은 어떻게 되며, 공격자의 계산 능력에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 다양한 비트코인 월렛 유형 간의 보안, 사용성, 위험 노출 수준은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 비트코인의 피어 투 피어 네트워크에서 주요 위협 요소는 무엇이며, 이는 시스템 무결성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 크립토누 기반 시스템에서의 새로운 프라이버시 보존 프로토콜이 비트코인의 프라이버시 한계를 얼마나 개선하는가?

주요 결과

• 전체 네트워크 해시레이트의 50% 미만을 가진 공격자는 결국 블록체인을 연장하는 데서 질식당하며, 이는 장기적으로 이중 지출 공격이 수익성 없이 끝나게 된다.
• 성공적인 이중 지출 공격의 확률은 확인 수가 증가할수록 지수적으로 감소하며, 이는 거래 지연과 역전 가능성이 사이의 명확한 상충 관계를 수립한다.
• 핫 월렛은 높은 사용성을 제공하지만 원격 해킹에 취약하며, 콜드 및 페이퍼 월렛은 편의성 감소를 감수하면서도 더 강력한 보안을 제공한다.
• 비트코인 P2P 네트워크는 악성 노드가 참여하고 거래 전파를 조작할 수 있어 이클립스 공격 및 시빌 공격에 본질적으로 취약하다.
• 비트코인의 공개 레이어 설계는 사용자 프라이버시를 본질적으로 침해하며, 일반적인 오해와는 달리 시스템은 익명성이 아니다.
• 크립토누 기반 시스템에서의 일회용 린 서명과 같은 새로운 프로토콜은 이중 지출을 탐지하고 방지할 수 있지만, 거래 검증 및 확장성 측면에서 새로운 과제를 야기한다.