[论文解读] Deanonymisation of clients in Bitcoin P2P network

Alex Biryukov, Dmitry Khovratovich+1 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2014

Advanced Steganography and Watermarking Techniques参考文献 5被引用 14

一句话总结

本文提出了一种新颖的去匿名化技术，通过利用客户端在NAT或防火墙后使用的八个出站对等连接（入口节点）的稳定集合，将比特币假名与其用户的公共IP地址关联起来。该攻击仅需少数机器，成本低于1500欧元，可对11%的交易实现去匿名化，并能通过滥用抗DoS机制绕过Tor，表明比特币网络层匿名性远弱于预期假设。

ABSTRACT

Bitcoin is a digital currency which relies on a distributed set of miners to mint coins and on a peer-to-peer network to broadcast transactions. The identities of Bitcoin users are hidden behind pseudonyms (public keys) which are recommended to be changed frequently in order to increase transaction unlinkability. We present an efficient method to deanonymize Bitcoin users, which allows to link user pseudonyms to the IP addresses where the transactions are generated. Our techniques work for the most common and the most challenging scenario when users are behind NATs or firewalls of their ISPs. They allow to link transactions of a user behind a NAT and to distinguish connections and transactions of different users behind the same NAT. We also show that a natural countermeasure of using Tor or other anonymity services can be cut-off by abusing anti-DoS countermeasures of the bitcoin network. Our attacks require only a few machines and have been experimentally verified. We propose several countermeasures to mitigate these new attacks.

研究动机与目标

• 为解决针对位于NAT或防火墙后的比特币客户端缺乏有效去匿名化方法的问题，传统交易图分析在此类场景下失效。
• 开发一种可扩展、低成本的方法，仅通过少数攻击者控制的节点，将比特币假名与其实际IP地址关联起来。
• 证明即使使用Tor等匿名网络的用户，仍因抗DoS机制的协议层弱点而面临去匿名化风险。
• 通过系统性探测揭示比特币P2P网络的拓扑结构，为后续攻击（如网络分区）提供支持。
• 提出实用的缓解措施，以降低去匿名化风险，同时保持网络功能不受影响。

提出的方法

• 攻击者维持与大多数比特币服务器的持久连接，以观察并记录客户端使用的出站对等连接集合（入口节点）。
• 每个客户端通过其稳定的八个入口节点集合唯一标识，该集合在会话期间保持一致，可作为指纹使用。
• 通过向服务器发送特殊构造的GETADDR消息，攻击者可学习到已知地址的完整集合，包括客户端的地址，利用有限状态马尔可夫链模型估算消息效率。
• 通过检测交易在入口节点中的传播情况，实现对流入交易的关联；从2–3个已知入口节点接收到交易，即可高置信度映射到特定客户端。
• 该方法利用比特币协议缺乏认证机制以及抗DoS保护薄弱的缺陷，可被滥用以阻断或隔离Tor或代理连接。
• 该攻击通过真实世界网络流量和基础设施进行了实验验证，资源需求极低（每台服务器不超过50个连接，存储需求数GB）。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过观察其稳定的出站对等连接集合，对位于NAT后的比特币客户端实现去匿名化？
• RQ2 同一公共IP地址在多大程度上可用于区分共享NAT的多个客户端？
• RQ3 使用Tor等匿名网络是否能完全保护比特币用户免受网络级追踪的去匿名化攻击？
• RQ4 需要多少GETADDR消息才能发现比特币对等节点已知的完整地址集合？其实际发现效率如何？
• RQ5 哪些协议层漏洞使得攻击者能以极低资源消耗破坏或隔离节点？

主要发现

• 在现实场景中，该攻击成功对11%的比特币交易实现去匿名化，且在更隐蔽操作下具备更高的可扩展性。
• 通过分析其独特的八个入口节点集合，该方法可区分共享同一公共IP地址的多个客户端。
• 即使用户使用Tor，该攻击依然有效，因为比特币网络的抗DoS机制可被滥用以阻断或隔离基于Tor的连接。
• 平均仅需80次GETADDR消息即可学习到对等节点已知的完整地址集合，但仅需5次ADDR消息即可确认连接。
• 整个去匿名化活动的总成本低于1500欧元，使该攻击对广泛范围的攻击者具有可及性。
• 本研究揭示了可使用探测技术系统性地映射比特币网络拓扑，从而为后续攻击（如通过针对性DoS实现网络分区）提供可能。