[논문 리뷰] Hijacking Bitcoin: Large-scale Network Attacks on Cryptocurrencies.

Maria Apostolaki, Aviv Zohar외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 24.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 19인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 BGP 프리픽스 히저킹을 통해 900개 미만의 프리픽스로도 비트코인의 네트워크 수준에서 대규모 공격, 예를 들어 채굴력의 50%를 격리하거나 블록 전파를 지연시키는 것이 가능하다는 것을 입증한다. 이 공격은 비트코인의 라우팅 및 채굴 중심화와 암호화되지 않고 신원 확인이 되지 않는 메시지 전송 방식을 악용하여, 낭비된 채굴 능력과 이중 지불 위험으로 인해 심각한 혼란과 수익 손실을 초래할 수 있다.

ABSTRACT

Bitcoin is without a doubt the most successful cryptocurrency in circulation today, making it an extremely valuable target for attackers. Indeed, many studies have highlighted ways to compromise one or several Bitcoin nodes. In this paper, we take a different perspective and study the effect of large-scale network-level attacks such as the ones that may be launched by Autonomous Systems (ASes). We show that attacks that are commonly believed to be hard, such as isolating 50% of the mining power, are actually within the reach of anyone with access to a BGP-enabled network and hijacking less than 900 prefixes. Once on path, AS-level adversaries can then partition the Bitcoin network or delay block propagation significantly. The key factors that enable these attacks are the extreme centralization of Bitcoin, both from a routing and a mining perspective, along with the fact that Bitcoin messages are sent unencrypted, without integrity guarantees. We demonstrate the feasibility of large-scale attacks in practice against the deployed Bitcoin software and quantify their disruptive network-wide impact. The potential damage to Bitcoin is severe. By isolating a part of the network or delaying the propagation of blocks, network-level attackers can cause a significant amount of mining power to be wasted, leading to revenue losses and enabling a wide range of attacks such as double spending. We provide several suggestions on approaches to mitigate such attacks employing both short-term and long-term measures.

연구 동기 및 목표

• 비트코인의 개별 노드가 아닌 네트워크 인프라를 대상으로 하는 대규모 네트워크 수준 공격의 가능성 여부를 조사하는 것.
• BGP 액세스가 가능한 자율 시스템(AS)이 프리픽스 히저킹을 통해 비트코인의 페어 투 페어 네트워크를 어떻게 방해할 수 있는지 분석하는 것.
• 이러한 공격이 블록 전파 지연과 네트워크 분할에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 라우팅 및 채굴 중심화와 비트코인 통신 프로토콜에서의 메시지 무결성 부족 등 취약성의 근본 원인을 특정하는 것.
• 비트코인의 인프라 수준 위협에 대한 내성을 향상시키기 위한 단기 및 장기 대응 전략을 제안하는 것.

제안 방법

• 연구진은 중심화 지점을 파악하기 위해 비트코인 네트워크 구조와 라우팅 인프라의 대규모 측정 연구를 수행했다.
• 실제 AS 구성 정보를 사용해 BGP 프리픽스 히저킹 공격을 시뮬레이션하여 타깃 채굴 풀의 가용성과 격리 가능성을 평가했다.
• 실제 비트코인 네트워크 데이터를 활용해 다양한 히저킹 시나리오 하에서 블록 전파 지연과 네트워크 분할 영향을 측정했다.
• 중간자 공격 및 재생 공격에 대한 네트워크의 내성에 영향을 미치는 암호화되지 않고 신원 확인이 되지 않는 메시지 전송의 영향을 평가했다.
• 네트워크 계층 조작을 통해 대규모 혼란을 유도할 수 있는 프로토콜 수준의 약점을 특정하기 위해 비트코인 프로토콜 스택을 분석했다.
• 공격 표면을 줄이기 위해 BGP 보안 강화, 메시지 인증, 라우팅 정책 강화와 같은 대응 기법을 제안하고 평가했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BGP 액세스가 가능한 AS 수준의 적대자가 제한된 수의 프리픽스로 비트코인 채굴력의 상당 부분을 격리할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ2 네트워크 수준의 히저킹은 비트코인 네트워크에서 블록 전파 지연과 합의 무결성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비트코인의 라우팅 및 채굴 인프라의 중심화가 대규모 네트워크 공격을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 메시지 암호화 및 무결성 검사의 부재가 네트워크 수준의 해킹 위험을 어떻게 악화시키는가?
• RQ5 실제 환경에서 이러한 공격의 가능성과 영향을 줄이기 위해 구현 가능한 실용적 대응 전략는 무엇인가?

주요 결과

• BGP를 이용한 네트워크에 액세스한 적대자는 900개 미만의 프리픽스를 히저킹하여 비트코인 채굴력의 최대 50%를 격리할 수 있다.
• 시뮬레이션에서 최대 몇 초에 이르는 블록 전파 지연이 관측되어 오래된 블록과 버려진 블록의 위험을 크게 증가시켰다.
• 네트워크 분할 공격로 인해 충돌하는 체인에서 낭비된 계산 자원으로 인해 측정 가능한 채굴 수익 손실이 발생했다.
• 비트코인의 라우팅 및 채굴 인프라의 극도로 높은 중심화는 네트워크 계층 조작을 통해 악용 가능한 단일 장애 지점으로 작용한다.
• 비트코인 페어 투 페어 프로토콜에서 종단 간 메시지 인증 및 암호화의 부재는 대규모로 중간자 공격 및 재생 공격을 효과적으로 가능하게 한다.
• 이 연구는 이러한 공격이 이론적인 것이 아니라 기존 네트워크 인프라와 도구를 통해 실제로 구현 가능한 것임을 확인했다.