[논문 리뷰] Hijacking Bitcoin: Routing Attacks on Cryptocurrencies

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

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 28인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 BGP 하이재킹과 중간 경로 간섭을 통해 비트코인이 라우팅 공격에 취약함을 입증하며, 100개 미만의 BGP 프리픽스를 조작하여 채굴 풀을 분리하거나 블록 전파를 지연시킬 수 있음을 보여준다. 연구 결과, 이러한 공격은 약 50%의 채굴 능력을 무력화시키고 블록 전파를 최대 20분 동안 지연시킬 수 있으며, 실제 라우팅 및 비트코인 토폴로지 데이터를 통해 실제 가능성이 확인되었다.

ABSTRACT

As the most successful cryptocurrency to date, Bitcoin constitutes a target of choice for attackers. While many attack vectors have already been uncovered, one important vector has been left out though: attacking the currency via the Internet routing infrastructure itself. Indeed, by manipulating routing advertisements (BGP hijacks) or by naturally intercepting traffic, Autonomous Systems (ASes) can intercept and manipulate a large fraction of Bitcoin traffic. This paper presents the first taxonomy of routing attacks and their impact on Bitcoin, considering both small-scale attacks, targeting individual nodes, and large-scale attacks, targeting the network as a whole. While challenging, we show that two key properties make routing attacks practical: (i) the efficiency of routing manipulation; and (ii) the significant centralization of Bitcoin in terms of mining and routing. Specifically, we find that any network attacker can hijack few (<100) BGP prefixes to isolate ~50% of the mining power---even when considering that mining pools are heavily multi-homed. We also show that on-path network attackers can considerably slow down block propagation by interfering with few key Bitcoin messages. We demonstrate the feasibility of each attack against the deployed Bitcoin software. We also quantify their effectiveness on the current Bitcoin topology using data collected from a Bitcoin supernode combined with BGP routing data. The potential damage to Bitcoin is worrying. By isolating parts of the network or delaying block propagation, attackers can cause a significant amount of mining power to be wasted, leading to revenue losses and enabling a wide range of exploits such as double spending. To prevent such effects in practice, we provide both short and long-term countermeasures, some of which can be deployed immediately.

연구 동기 및 목표

• 비트코인의 피어 투 피어 네트워크 인fra구조에 대한 라우팅 수준 공격의 실현 가능성과 영향을 분석하기.
• AS 수준의 적대자가 라우팅 중심화를 악용해 비트코인 노드를 분할하거나 블록 전파를 지연시킬 수 있는 방식을 조사하기.
• 실제 BGP 및 비트코인 슈퍼노드 데이터를 사용하여 이러한 공격의 실제 세계적 효과를 정량화하기.
• 이러한 위협을 완화하기 위한 실용적인 단기 및 장기 대응 조치를 제안하기.
• 비트코인의 라우팅 및 채굴 중심화로 인해 소규모 라우팅 조작만으로도 심각한 네트워크 장애가 발생할 수 있음을 입증하기.

제안 방법

• 비트코인을 대상으로 하는 라우팅 공격의 분류 체계를 수립하여 분할 공격와 지연 공격을 구분하기.
• 실제 BGP 라우팅 데이터와 비트코인 슈퍼노드 트래픽을 수집하여 네트워크 토폴로지 매핑 및 취약한 AS 식별하기.
• BGP 프리픽스 하이재킹을 시뮬레이션하여 대상 비트코인 노드를 고립시키고 네트워크 분할에 미치는 영향 측정하기.
• 핵심 비트코인 메시지(예: 블록 전파)를 수정하여 내용은 그대로 유지한 채 전달 지연을 유도하는 중간 경로 간섭 수행하기.
• UDP 하트비트와 다중 연결 블록 요청을 사용하여 비트코인 클라이언트의 부분적 가로채기에 대한 내성 평가하기.
• 랜덤화된 포트, 암호화된 제어 채널, 하트비트 메커니즘과 같은 대응 조치를 제안하고 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AS 수준의 적대자가 BGP 하이재킹을 통해 비트코인 네트워크를 얼마나 분할할 수 있는가?
• RQ2 의도한 비트코인 채굴 능력의 상당 부분을 고립시키기 위해 몇 개의 BGP 프리픽스가 필요한가?
• RQ3 중간 경로 공격자는 감지되지 않게 블록 전파를 얼마나 지연시킬 수 있으며, 그 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 채굴 풀과 라우팅 인fra구조의 중심화가 라우팅 공격의 영향을 어떻게 증폭시키는가?
• RQ5 즉각적으로 구현할 수 있는 실용적인 대응 조치는 무엇인가?

주요 결과

• 공격자는 다중 홈 채굴 풀이 있더라도 100개 미만의 BGP 프리픽스를 하이재킹하여 약 50%의 비트코인 채굴 능력을 고립시킬 수 있다.
• 중간 경로 공격자는 핵심 비트코인 메시지 수십 개를 선택적으로 수정하여 블록 전파를 최대 20분 동안 지연시킬 수 있다.
• 실제 비트코인 슈퍼노드와 BGP 라우팅 테이블의 실세계 데이터를 통해 공격의 실현 가능성이 입증되었다.
• 비트코인이 기본 포트 8333을 사용하고 암호화된 제어 채널이 없어 트래픽 식별 및 가로채기에 매우 취약하다.
• AS 수준에서 비트코인 노드와 채굴 풀의 중심화가 라우팅 기반 공격에 대한 공격 표면을 크게 증가시킨다.
• 랜덤화된 포트, UDP 하트비트, 다중 연결 블록 요청과 같은 구현 가능한 대응 조치는 감지되지 않은 조작의 위험을 효과적으로 줄일 수 있다.