[论文解读] Bitcoin over Tor isn't a good idea

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

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 5被引用 5

一句话总结

本文表明，通过Tor使用比特币会带来严重的安全漏洞，使资源有限的攻击者能够实施隐蔽的中间人攻击，控制交易传播，关联用户在不同会话中的假名，并在与矿池合谋时实现双花攻击。该攻击利用比特币的基于声誉的拒绝服务（DoS）防护机制以及Tor出口节点的架构，每月成本估计低于2,500美元。

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.

研究动机与目标

• 调查将比特币与Tor结合使用所带来的安全风险，特别是关于匿名性和交易完整性的问题。
• 揭示攻击者如何利用比特币的DoS防护机制和Tor的出口节点架构，隔离用户并操纵交易流。
• 展示一种利用‘地址Cookie’实现跨会话用户追踪的指纹识别技术，并揭示用户在直接连接时其IP地址的暴露风险。
• 评估此类攻击的可行性与成本，表明其可仅以极少资源和低财务投入完成。
• 提出实用的对策，以缓解比特币通过Tor部署中所识别出的安全威胁。

提出的方法

• 利用比特币的对等节点声誉系统，强制迫使节点屏蔽Tor出口节点，从而将所有比特币-over-Tor流量引导至攻击者控制的出口中继。
• 通过拥有100多个受攻击者控制的比特币对等节点实施Sybil攻击，以长期控制用户流量并强制通过恶意节点路由。
• 通过客户端地址数据库中存储的‘地址Cookie’实现指纹识别技术，即使使用Tor或隐藏服务，也能实现跨会话的用户关联。
• 利用Tor的流隔离机制和出口节点行为，构建隐蔽的、低带宽的中间人攻击，且不易被检测到。
• 通过受控客户端在真实网络中进行模拟与验证，确认了对流量控制和交易操纵的可行性。
• 提出对策，包括随机化DoS防护机制、对比特币流量进行认证，以及维护一个受信任的洋葱地址列表以供比特币对等节点使用。

实验结果

研究问题

• RQ1 攻击者是否能通过利用基于声誉的DoS防护机制，完全控制通过Tor连接的比特币用户的全部流量？
• RQ2 当用户通过Tor使用比特币时，攻击者在多大程度上能够将同一用户在不同会话中的多个比特币假名关联起来？
• RQ3 当攻击者控制比特币流量并合谋一个控制10%–20%网络算力的矿池时，双花攻击的可行性如何？
• RQ4 此类攻击的计算与财务成本是多少？是否能够以极少资源完成？
• RQ5 用户是否可通过客户端存储机制（如‘地址Cookie’）被跨会话指纹识别？这是否会导致其在退出Tor后暴露IP地址？

主要发现

• 仅需1%–3%的Tor出口带宽和1,000–1,500个轻量级比特币对等节点，攻击者即可完全控制所有比特币-over-Tor用户的通信流。
• 该攻击可使攻击者将同一用户在不同假名下的所有交易关联起来，无论用户是否使用了多个地址。
• 通过与控制10%–20%网络算力的矿池合谋，攻击者可构建一条对比特币-over-Tor用户而言看似合法的虚假区块链。
• 该攻击的月成本估计低于2,500美元，可通过6个高带宽Tor出口中继和战略性对等节点注入实现。
• 用户可通过客户端地址数据库中存储的‘地址Cookie’被指纹识别，实现跨会话追踪，并在直接连接比特币网络时暴露IP地址。
• 由于攻击使用低带宽且与现有协议行为无缝集成，该攻击保持隐蔽，不易被标准监控工具检测到。