[논문 리뷰] Extending the Anonymity of Zcash

George Kappos, Ania M. Piotrowska|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 19.

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting참고 문헌 5인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 Zcash의 익명성을 향상시키기 위해 혼합 네트워크를 프oxy 계층으로 통합하여 애플리케이션 계층 및 네트워크 계층의 탈익명화 공격을 방지하는 것을 제안한다. 거래 메타데이터를 암호화하고 혼합 서버를 사용해 송신자-수신자 간 연결을 은폐함으로써, 전 세계 수동 공격자에 의한 감시를 완화하고 코인 분할 히وري스틱을 개선하여 Zcash의 핵심密码 기법을 변경하지 않은 채 사용자의 익명성 집합을 크게 증가시킨다.

ABSTRACT

Although Bitcoin in its original whitepaper stated that it offers anonymous transactions, de-anonymization techniques have found otherwise. Therefore, alternative cryptocurrencies, like Dash, Monero, and Zcash, were developed to provide better privacy. As Edward Snowden stated, "Zcash's privacy tech makes it the most interesting Bitcoin alternative (...) because the privacy properties of it are truly unique". Zcash's privacy is based on peer-reviewed cryptographic constructions, hence it is considered to provide the foundations for the best anonymity. However, even Zcash makes some privacy concessions. It does not protect users' privacy in the presence of a global adversary who is able to observe the whole network, and hence correlate the parties exchanging money, by using their network addresses. The recent empirical analysis of Zcash shows, that users often choose naive ways while performing the protocol operations, not realizing that it degrades their anonymity. In this talk, we will discuss an extension of Zcash using mix networks to enhance the privacy guarantees of users that choose to remain anonymous by tackling two major security challenges: one at the application layer of the scheme and one at its network layer.

연구 동기 및 목표

• 전체 P2P 네트워크를 모니터링하는 전 세계 수동 공격자에 의한 Zcash의 탈익명화 취약성을 해결하기 위해.
• 사용자가 단일 z-주소로 전체 코인 가치를 낭비적으로 전송함으로써 발생하는 애플리케이션 계층 탈익명화 공격을 방지하기 위해.
• 혼합 네트워크를 활용해 거래의 출처 및 목적지 메타데이터를 은폐함으로써 사용자 익명성을 향상시키기 위해.
• 사용자가 익명성을 강화하는 데 기여하는 비공개 거래 패턴을 채택하도록 유도할 실질적 동기와 지침을 제공하기 위해.
• 혼합 네트워크를 Zcash에 통합할 때의 실현 가능성과 성능 트레이드오프(지연 및 커버 트래픽 요구사항 포함)를 평가하기 위해.

제안 방법

• Zcash 사용자와 P2P 네트워크 사이에 다중 홉 혼합 네트워크를 프oxy로 통합하여, 송신자 및 수신자 네트워크 주소를 은폐하기 위해 종단 간 다층 암호화를 사용한다.
• 첫 번째 혼합 서버는 사용자의 네트워크 주소를 알게 되지만, 이후 서버들은 오직 이전 및 다음 홉만 안다. 이로써 단일 노드가 전체 경로를 알 수 없도록 보장한다.
• 최종 혼합 서버는 암호를 해독한 거래를 Zcash 네트워크에 브로드캐스트하여, 거래가 블록체인에는 보이지만 네트워크 경로에는 보이지 않도록 한다.
• 혼합 서버를 활용해 이전 풀 예금을 분석하고, 익명성 집합을 증가시키는 최적의 코인 분할 전략을 권장한다.
• 트래픽 분석을 방지하면서 지연 시간 오버헤드를 최소화하기 위해 조절 가능한 커버 트래픽과 각 홉의 지연 시간을 도입한다.
• 사용자가 동일한 거래를 여러 혼합 캐스케이드에 동시에 전송함으로써 악성 혼합 노드에 의한 DoS 공격에 대한 저항력을 높인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전 세계 수동 공격자에 의한 네트워크 계층 탈익명화 공격을 방지하기 위해 혼합 네트워크를 Zcash 아키텍처에 효과적으로 통합하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 사용자에게 실용적이면서도 익명성 집합을 최대화하는 최적의 코인 분할 전략은 무엇인가?
• RQ3 Zcash용 저지연 혼합 네트워크에서 트래픽 분석을 방지하기 위해 필요한 커버 트래픽의 양은 얼마인가?
• RQ4 특히 악성 혼합 노드 행동 상황에서, 암호화폐 환경에서 혼합 네트워크를 사용할 경우의 성능 및 신뢰성 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 사용자가 비공개 거래를 채택하고 권장되는 코인 분할 패턴을 따를 수 있도록 유도하는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 혼합 네트워크 통합은 전 세계 수동 공격자가 전체 P2P 네트워크를 모니터링하더라도 네트워크 수준의 메타데이터 기반 거래 관련성 분석을 효과적으로 방지한다.
• 혼합 서버를 통해 코인 분할 전략을 조언받음으로써, 사용자의 익명성 집합이 증가하고 거래 패턴 분석에 의한 탈익명화 위험은 감소한다.
• 조절 가능한 커버 트래픽과 홉 단위 지연 시간을 사용함으로써 저지연 작동이 가능하면서도 트래픽 분석에 대한 강력한 익명성 보장을 확보할 수 있다.
• 악성 혼합 노드는 패킷을 버리는 DoS 공격만 수행할 수 있으며, 거래를 위조할 수 없어 사용자 자산의 무결성이 유지된다.
• 여러 혼합 캐스케이드를 통해 거래를 전송함으로써, 손상된 혼합 노드에 대한 저항력이 향상되며, 거래의 변형 가능성 위험은 증가하지 않는다.
• 적절하게 튜닝된 경우 이 방식은 최소한의 지연 오버헤드만을 유발하므로, 사용자 경험 저하 없이 실생활 배포에 실현 가능하다.