Blockchain. Public Key-Management & Sicherheit in Smart Contracts. M.Sc. Informatik HAW Hamburg Marvin Schwieger Grundseminar - SoSe 2017

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1 Blockchain Public Key-Management & Sicherheit in Smart Contracts Marvin Schwieger Grundseminar - SoSe 2017 M.Sc. Informatik HAW Hamburg

2 Themen Überblick Blockchain Motivation Ausgewählte Forschung Blockchain im Master Konferenzen Quellen 2

3 Überblick Anforderungen an digitalen Transaktionen 3

4 Simple Transaktionen A 4

5 Simple Transaktionen A B 5

6 Simple Transaktionen A B x1 6

7 Simple Transaktionen A B x1 7

8 Simple Transaktionen A B x1 8

9 Simple Transaktionen A B 9

10 Simple Transaktionen A B 10

11 Digitale Transaktionen 11

12 Digitale Transaktionen 12

13 Digitale Transaktionen A B x1 13

14 Digitale Transaktionen A B x1 14

15 Digitale Transaktionen A B x1 15

16 Probleme digitaler Informationen als Wertobjekt 16

17 Probleme digitaler Informationen als Wertobjekt 17

18 Probleme digitaler Informationen als Wertobjekt 18

19 Probleme digitaler Informationen als Wertobjekt A B x1 C 19

20 Probleme digitaler Informationen als Wertobjekt A B? x1 C? 20

21 Probleme digitaler Informationen als Wertobjekt A B? x1 C? Double Spending-Problem 21

22 Zusammenfassung Modifizierbarkeit digitaler Informationen Double Spending-Problem Vertrauen ist eine Notwendigkeit zwischen Teilnehmern einer Transaktion 22

23 Lösungsansatz Problem: Erfassen von Vermögen problematisch Idee: Dokumentation von Transaktionen 23

24 Digital Ledger Ledger - Kontobuch, Führungsbuch Durch Traversieren von Transaktionen lässt sich Vermögen eines Teilnehmers ermitteln 24

25 Digital Ledger From To Amount A B 2 Abb. 1 - Vereinfachte Darstellung einer Transaktion in einem Ledger 25

26 Digital Ledger From To Amount A B 2 T0 Abb. 1 - Vereinfachte Darstellung einer Transaktion in einem Ledger 26

27 Digital Ledger A x1 C B 27

28 Digital Ledger A C B x1 28

29 Digital Ledger A C B x1 T0 29

30 Digital Ledger A C B T0 T1 T

31 Aufgaben eines Ledgers Persistenz Validierung A C B T0 T1 T

32 Probleme heutiger Ledger Out-of-Sync Verfälschung Nicht transparent 32

33 Zentralisierte Lösung Single point of failure Nicht transparent Abhängigkeiten entstehen Abb. 2 - Visualisierung eines zentralisierten Netzwerks 33

34 Alternative Modelle Zentralisiert Dezentralisiert Verteilt Abb. 3 - Visualisierung von zentralisierten, dezentralisierten und verteilten Netzwerken 34

35 Blockchain Distributed Digital Ledger 35

36 Blockchain Distributed Ledger Technology Gemeinsame, öffentliche Datenbank Transaktionen über ein Peer-to-Peer-Netzwerk 36

37 Blockchain index: n index: n+1 index: n+2 T0 T3 T6 T1 T4 T7 T2 T5 T8 Abb. 4 - Modellierung einer simplen Blockchain 37

38 Funktionsweise Blockchain für jeden Knoten repliziert Mehrheit der Knoten bestimmt die Echtheit der Blockchain Fälschung durch einzelnen Knoten sehr unwahrscheinlich Abb. 5 - Replikation einer Blockchain auf mehreren Knoten [1] 38

39 Anforderungen an eine Blockchain Transparent Fälschungssicher Konsens ohne Vertrauen 39

40 Komponenten einer Blockchain Public Key-Kryptographie Hashes Merkle Trees Hash Puzzles 40

41 Wie wird eine Transaktion auf der Blockchain ausgeführt und validiert? 41

42 Autorisierung einer Transaktion Teilnehmer über Public Key bekannt Verifikation des Besitzes einer Adresse über Private Key Transaktion Signatur Public Key d. Empfängers Betrag ink. Gebühr Abb. 6 - Komponenten einer einzelnen Transaktion auf einer Blockchain 42

43 Verifikation v. Transaktionen Knoten sendet Transaktion ins Netzwerk Mining-Knoten empfängt unbestätigte Transaktionen T2 T0 Zusammenfassung durch Mining-Knoten T1 unbestätigter Block T1 T0 T2 Abb. 7 - Einzelne Transaktionen werden zu einem Block zusammengefasst 43

44 Verifikation v. Blöcken Hashen der Transaktions-Information Bildung eines Root-Hashes Modifikationen wären im Hash sichtbar Abb. 8 - Erzeugung eines Root-Hashes in einem Merkle-Tree 44

45 Verifikation v. Blöcken Lösen eines Hash-Puzzles Hash of prev. block Result-Hash muss Vorgabe-Kriterium erfüllen Nonce value Berechnen des Nonce-Wertes Prozess nennt man Proof of Work Trans-Id. hashes Resulting hash Abb. 9 - Ermittlung eines gültigen Block-Hashes über Vorgänger-, Transaktions-Hashes, sowie einem zu ermittelndem Nonce-Wert 45

46 Akzeptieren eines Blocks Ein neuer Block wird über das Netzwerk gesendet Knoten verifizieren diesen Block Erfolg: Neuer Block wird an die Kette gehängt Misserfolg: Block wird von Mehrheit der Knoten abgewiesen werden 46

47 Resultat Konsens durch mehrheitlich bestätigten Block Garantie für Sender und Empfänger Kein Vertrauen auf einzelne Knoten nötig 47

48 Welche unterschiedlichen Arten v. Blockchains existieren? 48

49 Blockchain-Modelle Permissioned Blockchain Permissionless Blockchain Geschlossene Systeme Öffentlich Spezialisiert Hohe Reichweite Optimiert Anonym Update-Prozess einfach Updates brauchen Konsens 49

50 Was sind denkbare Anwendungsfälle? 50

51 Finanz-Branche 51

52 Dezentrale Applikation 52

53 Anwendungsfälle Supply Chain-Tracking Asset Management Dezentrale Services ( Eliminate the middleman ) Smart Identity 53

54 Welche Probleme existieren o. sind absehbar? 54

55 Probleme v. Blockchains Wartung Sicherheit Tech. Limitierungen Integration Anonymität Datenmenge Updates Fehler nicht umkehrbar Skalierung Kosten 51%-Angriffe 55

56 Motivation 56

57 Erfahrungen Bachelor: Keine Privat: Als Hobby verfolgt 57

58 Erwartungen Erfindung nicht umkehrbar Potenzial absehbar Wie wird sich diese Technologie niederschlagen? 58

59 Aktuelle Forschung 59

60 Aktuelle Forschung 1. S. Eskandari D. Barrera E. Stobert J. Clark "A first look at the usability of bitcoin key management" Workshop on Usable Security (USEC) 2. Loi Luu, Duc-Hiep Chu, Hrishi Olickel, Prateek Saxena, and Aquinas Hobor Making Smart Contracts Smarter. In Proceedings of the 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security (CCS '16). ACM, New York, NY, USA, DOI: 60

61 Paper 1 - Thema Thema: Sicherheit und Usability in Public Key-Systemen Punkte: Abstrahierung d. Public-/Private-Key-Konzepts Angriffe auf verfügbare Bitcoin-Clients 61

62 Paper 1 - Methodik Kategorisierung existierender Angebote Angriffs-/Verlust-Szenarien Cognitive Walkthrough (Usability-Evaluation) 62

63 Paper 1 - Kategorisierung Lokale Haltung Password-derived Keys Passwort-Verschlüsselung Air-gapped Storage Externe Haltung Offline Storage 63

64 Paper 1 - Lokale Haltung Einfach Diebstahl (digital und physisch) Wartung (alternde Dateisysteme) Hardware-Versagen 64

65 Paper 1 - Verschlüsselte Key-Paare Schutz bei Verlust des Geräts Passwort-Ansatz verbreitet Passwort ohne Key nutzlos 65

66 Paper 1 - Offline-Wallet Permanent Offline? Kein digitaler Diebstahl Paper Wallets Abb Vorlage einer Bitcoin-Paper-Wallet [3] 66

67 Paper 1 - Air-gapped storage Signatur-Orakel Export v. Signaturen 67

68 Paper 1 - Password-derived Keys Passwort als Seed für Key-Paar Typische Passwort-Probleme Risiko-Verteilung 68

69 Paper 1 - Hosted Keys Widerspricht der Grundidee Usability Hybrid-Client: Node extern bereitgestellt Key-Management lokal 69

70 Paper 1 - Untersuchung Szenarien durchgespielt: Initialisierung Bezahlen Wiederherstellung 70

71 Paper 1 - Evaluation Komplexe Begriffe No free outputs to spend Abstrahierung Synchronitäts-Bedingung 71

72 Paper 1 - Fazit Public Key-Systeme sind nicht Mainstream Konzepte zu kommunizieren ist kritisch Online-Lösungen sehr benutzerfreundlich/unsicher 72

73 Paper 2 - Smart Contracts & Security Smart Contract Bytecode auf der Blockchain Durchsetzen von Vertragslogik ( Wenn..., dann ) Unabhängige P2P-Economy 73

74 Paper 2 - Idee Smart Contracts nicht änderbar Bytecode öffentlich Gängige Schwachstellen? 74

75 Paper 2 - Umgebung Gas enabled transaction Privater Speicher Contract-Adresse 75

76 Paper 2 - Smart Contract-Modell sends token sends token User Contract-Code compensates Contract-Address computes Mining-Node 76

77 Paper 2 - Schwachstellen Lokale Haltung Transaction-Ordering Dependencies Timestamp Dependencies Mishandling Exceptions Reentrance Exploitation 77

78 Paper 2 - Transaction-Order-Dependency Code-Snippet Solidity Smart-Contract zum Berechnen der Lösung eines Hash-Puzzles 78

79 Paper 2 - Transaction-Order-Dependency Code-Snippet Solidity Smart-Contract zum Berechnen der Lösung eines Hash-Puzzles 79

80 Paper 2 - Timestamp-Dependency Code-Snippet 2 - Verwendung eines Block-Zeitstempels als Seed 80

81 Paper 2 - Timestamp-Dependency Code-Snippet 2 - Verwendung eines Block-Zeitstempels als Seed 81

82 Paper 2 - Timestamp-Dependency Zeitstempel eines Blocks vom Mining-Knoten gesetzt Manipulation durch Precomputing 82

83 Paper 2 - Exception Handling Häufige Fehlerquellen: Callstack-Depth-Limit erreicht Unzureichende Gebühren 83

84 Paper 2 - Exception Handling Code-Snippet 3 - Verwendung eines Block-Zeitstempels als Seed 84

85 Paper 2 - Reentrancy Vulnerability Code-Snippet 4 - Verwendung eines Block-Zeitstempels als Seed 85

86 Paper 2 - Quantitative Analyse Abb Quantitative Analyse von Sicherheitslücken in Bytecode von Ethereum-Contracts 86

87 Paper 2 - Quantitative Analyse Abb Quantitative Analyse von Sicherheitslücken in Bytecode von Ethereum-Contracts 87

88 Paper 2 - Vorschläge Solidity-Updates Pre-Deployment-Tool Best-Practice durchsetzen 88

89 Konferenzen BCC 2017, 2-6 April, Abu Dhabi, UAE IEEE Blockchain Summit, 4 April, Vancouver, CA Annual Blockchain Conference, July 28, Washington, DC, USA Blockchain & BTC Conference, September 7, Stockholm, Sweden 89

90 Blockchain im Master Grundseminar: Kartographieren des aktuellen Stands Grundprojekt-Ideen: Software Engineering für öff. Blockchains und Contracts, Alternative Verifizierung von Blöcken Hauptseminar/-projekt:? 90

91 Referenzen fa_bj_1602_blockchain_en.html (Aufruf: ) (Aufruf: ) (Aufruf: ) el/2016/fa_bj_1602_blockchain_en.html (Aufruf: ) 91

92 Weitere Paper Underwood, Sarah. "Blockchain beyond bitcoin." Communications of the ACM (2016): Yli-Huumo, Jesse, et al. "Where Is Current Research on Blockchain Technology? A Systematic Review." PloS one (2016): e

93 Abbildungen Abb. 5 - Replikation (Aufruf ) plained-like-youre-five-part-2-mechanics/ Abb.8 - Root-Hash in einem Merkle-Tree (Aufruf ) Abb.10 - Bitcoin Paper-Wallet (Aufruf ) 93