[논문 리뷰] Bitcoin over Tor isn't a good idea

Alex Biryukov, Ivan Pustogarov|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 22.

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비트코인을 토르를 통해 사용할 경우 심각한 보안 취약점을 초래하며, 자원이 제한된 공격자가 도청 공격을 통해 트랜잭션 전파를 제어하고, 세션 간 사용자 가명을 연결하며, 채굴 풀과 공모할 경우 이중 지출을 가능하게 한다고 밝힌다. 이 공격은 비트코인의 신뢰 기반 DoS 보호 기제와 토르의 익스이트 노드 아키텍처를 악용하며, 예상 비용은 월 2,500달러 이하이다.

ABSTRACT

Bitcoin is a decentralized P2P digital currency in which coins are generated by a distributed set of miners and transaction are broadcasted via a peer-to-peer network. While Bitcoin provides some level of anonymity (or rather pseudonymity) by encouraging the users to have any number of random-looking Bitcoin addresses, recent research shows that this level of anonymity is rather low. This encourages users to connect to the Bitcoin network through anonymizers like Tor and motivates development of default Tor functionality for popular mobile SPV clients. In this paper we show that combining Tor and Bitcoin creates an attack vector for the deterministic and stealthy man-in-the-middle attacks. A low-resource attacker can gain full control of information flows between all users who chose to use Bitcoin over Tor. In particular the attacker can link together user's transactions regardless of pseudonyms used, control which Bitcoin blocks and transactions are relayed to the user and can \ delay or discard user's transactions and blocks. In collusion with a powerful miner double-spending attacks become possible and a totally virtual Bitcoin reality can be created for such set of users. Moreover, we show how an attacker can fingerprint users and then recognize them and learn their IP address when they decide to connect to the Bitcoin network directly.

연구 동기 및 목표

• 비트코인과 토르를 결합할 경우 발생하는 보안 위험, 특히 익명성과 트랜잭션 무결성 측면에서의 위험을 조사한다.
• 공격자가 비트코인의 DoS 보호 메커니즘과 토르의 익스이트 노드 아키텍처를 악용해 사용자를 고립시키고 트랜잭션 흐름을 조작할 수 있는 방식을 폭 드러낸다.
• 사용자가 토르나 익명 서비스를 사용하더라도 '주소 쿠키'를 활용해 클라이언트의 주소 데이터베이스에 저장된 정보를 통해 세션 간 사용자를 연계할 수 있는 지문 추적 기법을 시연한다.
• 이러한 공격의 실행 가능성과 비용을 평가하여, 최소 자원과 낮은 재정 투자로도 실행 가능함을 보여준다.
• 비트코인-토르 배포 환경에서 확인된 위협을 완화하기 위한 실용적인 대응 조치를 제안한다.

제안 방법

• 비트코인의 피어 신뢰도 시스템을 악용해 피어가 토르 익스이트 노드를 차단하도록 유도함으로써, 모든 비트코인-토르 트래픽을 공격자가 제어하는 익스이트 릴레이를 통해 통과시킨다.
• 100개 이상의 공격자 제어 피어를 활용한 시빌 공격을 통해 사용자 트래픽에 대한 지속적인 제어를 확보하고 악성 노드를 통해 트래픽을 루팅한다.
• 클라이언트의 주소 데이터베이스에 저장된 '주소 쿠키'를 통한 지문 추적 기법을 구현하여, 토르나 익명 서비스를 사용하더라도 세션 간 사용자 연계가 가능하게 한다.
• 토르의 스트림 격리 및 익스이트 노드 동작 방식을 활용해, 낮은 대역폭을 사용하면서도 탐지되지 않는 도청 공격을 수행한다.
• 통제된 클라이언트를 사용해 실제 네트워크에서 공격를 시뮬레이션하고 검증하여 트래픽 제어 및 트랜잭션 조작의 실행 가능성을 확인한다.
• DoS 보호 기능의 무작위화, 비트코인 트래픽의 인증, 비트코인 피어용 신뢰할 수 있는 온리언 주소 목록 유지 등의 대응 조치를 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공격자가 비트코인의 신뢰 기반 DoS 보호 메커니즘의 취약점을 악용해, 토르를 통해 연결된 사용자의 비트코인 트래픽을 완전히 제어할 수 있는가?
• RQ2 비트코인-토르를 사용할 경우, 동일한 사용자의 여러 세션 간 다수의 비트코인 가명을 어느 정도까지 연결할 수 있는가?
• RQ3 공격자가 토르 사용자의 비트코인 트래픽을 제어하고 채굴 풀과 공모할 경우, 이중 지출 공격은 얼마나 현실적으로 실행 가능한가?
• RQ4 이러한 공격의 계산 및 재정 비용은 얼마이며, 최소 자원으로 실행 가능한가?
• RQ5 클라이언트 측 저장 메커니즘(예: '주소 쿠키')을 통해 사용자를 세션 간 지문 추적할 수 있으며, 이는 토르를 빠져나올 때 IP 폭 드러남으로 이어질 수 있는가?

주요 결과

• 공격자가 토르 익스이트 대역폭의 1~3%와 경량 비트코인 피어 1,000~1,500개만 확보해도, 모든 비트코인-토르 사용자의 정보 흐름을 완전히 제어할 수 있다.
• 이 공격은 다수의 주소를 사용하더라도 사용자의 모든 트랜잭션을 서로 다른 가명 간에 연결할 수 있다.
• 채굴 풀이 네트워크 해시레이트의 10~20%를 차지하고 공모할 경우, 비트코인-토르 사용자에게 유효한 것처럼 보이는 위조 블록체인을 생성할 수 있다.
• 공격의 예상 비용은 월 2,500달러 이하이며, 6개의 고대역폭 토르 익스이트 릴레이와 전략적 피어 주입을 통해 달성할 수 있다.
• 클라이언트의 주소 데이터베이스에 저장된 '주소 쿠키'를 통해 사용자를 지문 추적할 수 있으며, 이는 세션 간 추적과 토르를 빠져나올 때 IP 폭 드러남을 초래할 수 있다.
• 낮은 대역폭 사용과 기존 프rotocol 동작 방식과의 통합으로 인해, 표준 모니터링 도구로는 탐지되지 않는 침묵적인 공격을 유지할 수 있다.