[논문 리뷰] When A Small Leak Sinks A Great Ship: Deanonymizing Tor Hidden Service Users Through Bitcoin Transactions Analysis

Husam Al Jawaheri, Mashael Al Sabah외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 23.

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting참고 문헌 18인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 비트코인 결제를 수락하는 토르 익명 서비스 사용자가 소셜 미디어, 비트코인 블록체인 거래 내역, 온리언 사이트의 공개 데이터를 연동하여 신원을 노출당할 수 있음을 입증한다. 비트코인 주소를 온라인 신원과 연결하고 거래 내역을 추적함으로써 저자들은 125명의 사용자를 20개의 익명 서비스에 연결했으며, 이는 더 나아가 더 유명한 서비스인 더 피어레이트 베이와 실드로드를 포함한다. 이는 비트코인의 가명성 모델이 후행적 익명성에 대해 충분하지 않음을 입증한다.

ABSTRACT

With the rapid increase of threats on the Internet, people are continuously seeking privacy and anonymity. Services such as Bitcoin and Tor were introduced to provide anonymity for online transactions and Web browsing. Due to its pseudonymity model, Bitcoin lacks retroactive operational security, which means historical pieces of information could be used to identify a certain user. We investigate the feasibility of deanonymizing users of Tor hidden services who rely on Bitcoin as a payment method by exploiting public information leaked from online social networks, the Blockchain, and onion websites. This, for example, allows an adversary to link a user with @alice Twitter address to a Tor hidden service with private.onion address by finding at least one past transaction in the Blockchain that involves their publicly declared Bitcoin addresses. To demonstrate the feasibility of this deanonymization attack, we carried out a real-world experiment simulating a passive, limited adversary. We crawled 1.5K hidden services and collected 88 unique Bitcoin addresses. We then crawled 5B tweets and 1M BitcoinTalk forum pages and collected 4.2K and 41K unique Bitcoin addresses, respectively. Each user address was associated with an online identity along with its public profile information. By analyzing the transactions in the Blockchain, we were able to link 125 unique users to 20 Tor hidden services, including sensitive ones, such as The Pirate Bay and Silk Road. We also analyzed two case studies in detail to demonstrate the implications of the resulting information leakage on user anonymity. In particular, we confirm that Bitcoin addresses should always be considered exploitable, as they can be used to deanonymize users retroactively. This is especially important for Tor hidden service users who actively seek and expect privacy and anonymity.

연구 동기 및 목표

• 비트코인으로 지불을 수락하는 토르 익명 서비스 사용자에 대해 신원 노출 가능성을 조사하기.
• 소셜 네트워크, 블록체인 데이터, 온리언 사이트에서의 공개 정보를 어떻게 융합하여 사용자 익명성의 취약점을 악용할 수 있는지 분석하기.
• 비트코인의 가명성 모델이 초래하는 후행적 신원 노출 위험을 평가하기.
• 정보 泄露가 토르와 비트코인과 같은 개인정보 보호 시스템에 미치는 실질적 영향을 입증하기.

제안 방법

• 88개의 고유한 비트코인 주소를 확보하기 위해 1,500개의 토르 익명 서비스를 크롤링.
• 50억 개의 트윗에서 4,200개의 비트코인 주소를 확보하고, 100만 개의 비트코인톡 포럼 페이지에서 41,000개의 비트코인 주소를 확보.
• 소셜 미디어 및 포럼의 공개 프로필 정보를 이용해 각 비트코인 주소를 온라인 신원과 매핑.
• 비트코인 블록체인 내 거래 내역을 추적하여 사용자 신원을 특정 익명 서비스와 연결.
• 실제 세계의 타당성을 평가하기 위해 수동적이고 제한된 적대자 시뮬레이션 수행.
• 사용자 프라이버시에 미치는 신원 노출의 영향을 분석하기 위해 두 가지 상세한 사례 연구 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비트코인 거래 내역을 활용해 토르 익명 서비스 사용자 중 비트코인 지불을 수락하는 이들을 신원 노출시킬 수 있는가?
• RQ2 소셜 미디어 및 포럼에서의 공개 정보를 얼마나 효과적으로 활용해 비트코인 주소를 실제 신원과 연결할 수 있는가?
• RQ3 블록체인 분석과 온라인 신원 연계의 조합이 사용자 익명성에 얼마나 효과적으로 악용될 수 있는가?
• RQ4 수동적이고 자원이 제한된 공격 방식으로 익명 서비스 사용자를 실제로 신원 노출시킬 수 있는가?

주요 결과

• 연구는 공개 데이터와 블록체인 분석만을 사용해 125명의 고유 사용자를 20개의 토르 익명 서비스에 성공적으로 연결했다.
• 더 피어레이트 베이와 실드로드를 포함한 유명한 익명 서비스들이 이 방법을 통해 신원이 노출되었다.
• 비트코인 주소는 후행적 신원 노출에 악용 가능하며, 이는 그들의 가명성 모델을 약화시킨다.
• 소셜 미디어 및 포럼에서의 공개 발언은 비트코인 주소와 신원을 연결함으로써 신원 노출 위험을 크게 증가시킨다.
• 이 공격은 최소한의 자원으로도 가능했으며, 사용자 시스템에 직접 접근할 수 없는 수동적 적대자 시뮬레이션을 통해 실현 가능성을 입증했다.
• 결과적으로 비트코인 주소는 장기적인 익명성에 대해 절대 안전하다고 볼 수 없으며, 특히 토르 익명 서비스와 같은 개인정보 보호에 민감한 맥락에서는 더욱 그렇다.