[论文解读] Extending the Anonymity of Zcash

George Kappos, Ania M. Piotrowska|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2019

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文提出通过在Zcash中集成混洗网络作为代理层，以增强其匿名性，抵御应用层和网络层的去匿名化攻击。通过加密交易元数据并利用混洗服务器隐藏发送者与接收者之间的关联，该方案有效缓解了全局被动攻击者的监控，并改进了币分割启发式方法，显著扩大了用户的匿名集合，同时不改变Zcash的核心密码学机制。

ABSTRACT

Although Bitcoin in its original whitepaper stated that it offers anonymous transactions, de-anonymization techniques have found otherwise. Therefore, alternative cryptocurrencies, like Dash, Monero, and Zcash, were developed to provide better privacy. As Edward Snowden stated, "Zcash's privacy tech makes it the most interesting Bitcoin alternative (...) because the privacy properties of it are truly unique". Zcash's privacy is based on peer-reviewed cryptographic constructions, hence it is considered to provide the foundations for the best anonymity. However, even Zcash makes some privacy concessions. It does not protect users' privacy in the presence of a global adversary who is able to observe the whole network, and hence correlate the parties exchanging money, by using their network addresses. The recent empirical analysis of Zcash shows, that users often choose naive ways while performing the protocol operations, not realizing that it degrades their anonymity. In this talk, we will discuss an extension of Zcash using mix networks to enhance the privacy guarantees of users that choose to remain anonymous by tackling two major security challenges: one at the application layer of the scheme and one at its network layer.

研究动机与目标

• 解决Zcash在全局被动攻击者观察P2P网络时面临的去匿名化漏洞问题。
• 应对用户简单地将完整币值发送至单一z-地址所导致的应用层去匿名化问题。
• 通过利用混洗网络隐藏交易来源和目的地的元数据，增强用户匿名性。
• 为用户提供实际激励和指导，鼓励其采用能增强匿名性的私密交易模式。
• 评估将混洗网络与Zcash集成的可行性及其性能权衡，包括延迟和伪装流量需求。

提出的方法

• 在Zcash用户与P2P网络之间集成多跳混洗网络作为代理，使用端到端分层加密隐藏发送者和接收者的网络地址。
• 由第一跳混洗服务器获取用户网络地址，而后续服务器仅知晓前一跳和下一跳，确保单个节点无法知晓完整路径。
• 由最后一跳混洗服务器将解密后的交易广播至Zcash网络，确保交易仅对区块链可见，而不暴露于网络路径。
• 利用混洗服务器作为顾问，分析先前的池内存款，推荐最优的币分割策略，以扩大匿名集合。
• 引入可调节的伪装流量和每跳延迟，防止流量分析，同时最小化延迟开销。
• 允许用户将同一笔交易发送至多个混洗级联，以抵御恶意混洗节点发起的拒绝服务攻击。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将混洗网络集成到Zcash架构中，以抵御全局被动攻击者基于网络层元数据的去匿名化攻击？
• RQ2 何种币分割策略能够在实用性与最大化匿名集合之间达到最优平衡？
• RQ3 在低延迟混洗网络中，为防止流量分析，需要多少伪装流量？
• RQ4 在加密货币场景下，使用混洗网络的性能与可靠性权衡如何，特别是在恶意混洗节点行为存在的情况下？
• RQ5 如何激励用户采用私密交易并遵循推荐的币分割模式？

主要发现

• 混洗网络的集成有效防止了全局被动攻击者基于网络级元数据关联交易，即使其观察整个P2P网络亦无法实现。
• 通过混洗服务器指导币分割策略，该方案显著提升了用户的匿名集合，降低了因交易模式分析导致的去匿名化风险。
• 采用可调节伪装流量和每跳延迟，可在保持强匿名性保障的同时实现低延迟运行，有效抵御流量分析攻击。
• 恶意混洗节点仅能通过丢弃数据包实施拒绝服务攻击，无法伪造交易，因此用户资金完整性得以保障。
• 通过多个混洗级联发送交易，可增强对受损混洗节点的弹性，且不会增加交易可变性的风险。
• 在合理调优下，该方案引入的延迟开销极小，表明其在现实世界部署中具有可行性，且不会显著影响用户体验。