Netzwerksicherheit. Teil 10: Krypto-Währungen. Philipp Hagemeister. Sommersemester 2017 Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

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1 Netzwerksicherheit Teil 10: Krypto-Währungen Philipp Hagemeister Sommersemester 2017 Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 1

2 Krypto-Währungen Geld ohne physischen Kontakt überweisen In $/e: Online-Banking, paypal, Western Union An $ gekoppelt: Amazon Coins, Microsoft Points Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 2

3 Krypto-Währungen Geld ohne physischen Kontakt überweisen In $/e: Online-Banking, paypal, Western Union An $ gekoppelt: Amazon Coins, Microsoft Points Funktionsweise überall: Zentrale Bank (oder Kartell von Banken) unterhält alle Konten Vertrauen in Bank nötig Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 2

4 Krypto-Währungen Geld ohne physischen Kontakt überweisen In $/e: Online-Banking, paypal, Western Union An $ gekoppelt: Amazon Coins, Microsoft Points Funktionsweise überall: Zentrale Bank (oder Kartell von Banken) unterhält alle Konten Vertrauen in Bank nötig Beispiel Liberty Reserve: Im Mai 2013 von der Polizei abgeschaltet Darum: Dezentrale Währungen! Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 2

5 Bitcoin 2008 von einem pseudonymem Autor vorgeschlagen und implementiert Mittlerweile weitverbreiteste Krypto-Währung Insgesamter Wert: Aktuell (Juli 2017) ~40 Ge Kometenhafter Aufstieg des Kurses, große Schwankungen Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 3

6 Vorbedingungen Jeder Benutzer hat mehrere Schlüsselpaare Schlüsselpaare können beliebig generiert werden Die privaten Schlüssel werden in einer wallet-datei gespeichert Alle Transaktionen werden in einem Peer-To-Peer-Netzwerk verbreitet Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 4

7 Geld ausgeben: Beispiel Alice hat Schlüsselpaare A1, A2, Bob B1, und Charlie C1. Alice möchte 1 Bitcoin an Bob und 0.05 an Charlie überweisen. Das geschieht mit einer Transaktion: Input Output A hash(b1 + ) 1 A hash(c1 + ) Diese Transaktion wird dann signiert mit: sig A1 (hash(transaktion)) sig A2 (hash(transaktion)) Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 5

8 Transaktionen Input Output A hash(b1 + ) 1 A hash(c1 + ) sig A1 (hash(transaktion)) sig A2 (hash(transaktion)) Transaktion ist nur valide, falls A1 und A2 bisher genug Geld hatten Nur Alice hat A1 und A2, also kann nur sie ihr Geld ausgeben.. es sei denn, ihre wallet wird gestohlen Das eigentliche Protokoll ist flexibler als hier dargestellte.. erlaubt z.b. mehrere Signaturen Genügt das für eine digitale Währung? Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 6

9 Double Spending Angriff: Genügt das für eine digitale Währung? Alice hat einen Public Key mit genau 1 Bitcoin Vermögen.. überweist Bob Bitcoin.. und gleichzeitig Charlie Bob und Charlie erhalten beide eine gültige Transaktion Aber: Alice hat ihren Bitcoin zweimal ausgegeben (Double Spending) Wie verhindern wir das? Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 7

10 Double Spending verhindern Idee: Bob und Charlie warten ein paar Minuten, bevor die Transaktion akzeptiert wird Angriffsmöglichkeiten? Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 8

11 Double Spending verhindern Idee: Bob und Charlie warten ein paar Minuten, bevor die Transaktion akzeptiert wird Angriffsmöglichkeiten? Wenn Alice Bob oder Charlie vom Netzwerk trennen kann / das Netzwerk selber splitten kann, dann gibt es keine Einigkeit, an wen sie ihre Bitcoins überwiesen hat! Frühere Idee: Seriennummern Aber das würde eine vertrauenswürdige zentrale Instanz erfordern Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 8

12 Block Chain Ein Block wird gebildet durch: Block-Header: hash(hash des vorherigen Blocks + nonce + Transaktionen) Liste von Transaktionen Damit eine Kette von Blocks (Block Chain) Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 9

13 Block Chain Ein Block wird gebildet durch: Block-Header: hash(hash des vorherigen Blocks + nonce + Transaktionen) Liste von Transaktionen Damit eine Kette von Blocks (Block Chain) Jeder Block hat eine Schwierigkeit Globale Wahrheit: Block Chain mit der größten Schwierigkeits-Summe Double Spending nur möglich, wenn Angreifer Hälfte der globalen Rechenleistung kontrolliert! Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 9

14 Schwierigkeit Schwierigkeit muss sich an Rechenleistung im Netzwerk anpassen Wird automatisch alle 2016 Blocks neu berechnet Neue Schwierigkeit so dass jeder Block im Durchschnitt 10 Minuten dauert Zielwert für Hash: target = m konstant m Schwierigkeit 0x ffff Block-Header muss kleiner als target sein Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 10

15 Entwicklung der Hash-Rate [Abbildung: Tschorsch / Scheuermann] Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 11

16 Mining Was ist die Motivation für Berechnung eines Blocks (Mining)? Generation fees: Der Löser des Blocks bekommt einige Bitcoins extra aber mit jeder neuen Blocknummer immer weniger Initiales Kapital kommt aus generation fees Transaction fees Verhindert Spam, langfristige Bezahlung Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 12

17 Mining Was ist die Motivation für Berechnung eines Blocks (Mining)? Generation fees: Der Löser des Blocks bekommt einige Bitcoins extra aber mit jeder neuen Blocknummer immer weniger Initiales Kapital kommt aus generation fees Transaction fees Verhindert Spam, langfristige Bezahlung Mining erst mit CPUs, dann mit GPUs Heute mit FPGAs und ASICs! Problem: FPGAs und ASICs sind sehr viel effizienter Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 12

18 Pools Mining alleine: Payout entweder 10000$ oder nichts! Darum Zusammenschluss in größere Pools mit vielen Minern Gewinn wird zwischen Pool-Betreibern und Minern verteilt Miner liefern Hashes mit niedrigerer Schwierigkeit an Pool-Betreiber, um Rechenleistung zu dokumentieren Problematisch: Teilweise sehr große Pools Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 13

19 Anonymität Ist Bitcoin anonym? Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 14

20 Anonymität Nein: Ja: Ist Bitcoin anonym? Geschichte aller Transaktionen ist öffentlich! Adresse kann jedem gehören; kein Name vorhanden Anonymisierungsdienste nehmen bitcoins von vielen Benutzern entgegen Transaktionen mit sehr vielen Inputs und Outputs! Rückgabe an den Benutzer zeitlich verteilt (und mit unterschiedlicher Summe), und an mehrere Adressen Genügt das? Offene Forschungsfrage Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 14

21 Altcoins Bitcoin ist weiterhin die größte Kryptowährung Verschiedene Motivationen: Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 15

22 Altcoins Bitcoin ist weiterhin die größte Kryptowährung Verschiedene Motivationen: Schneller Block-Berechnungen als 10 Minuten Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 15

23 Altcoins Bitcoin ist weiterhin die größte Kryptowährung Verschiedene Motivationen: Schneller Block-Berechnungen als 10 Minuten Andere Puzzles (z.b. scrypt statt SHA2-256) Mining dann mit GPUs statt ASICs Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 15

24 Altcoins Bitcoin ist weiterhin die größte Kryptowährung Verschiedene Motivationen: Schneller Block-Berechnungen als 10 Minuten Andere Puzzles (z.b. scrypt statt SHA2-256) Mining dann mit GPUs statt ASICs Smart Contracts: Komplexe Transaktionen z.b. zur Absicherung: 2 aus Käufer, Verkäufer, Schlichtungsstelle müssen zustimmen Investment-Funds Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 15

25 Altcoins Bitcoin ist weiterhin die größte Kryptowährung Verschiedene Motivationen: Schneller Block-Berechnungen als 10 Minuten Andere Puzzles (z.b. scrypt statt SHA2-256) Mining dann mit GPUs statt ASICs Smart Contracts: Komplexe Transaktionen z.b. zur Absicherung: 2 aus Käufer, Verkäufer, Schlichtungsstelle müssen zustimmen Investment-Funds Inflation verhindern Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 15

26 Altcoins Bitcoin ist weiterhin die größte Kryptowährung Verschiedene Motivationen: Schneller Block-Berechnungen als 10 Minuten Andere Puzzles (z.b. scrypt statt SHA2-256) Mining dann mit GPUs statt ASICs Smart Contracts: Komplexe Transaktionen z.b. zur Absicherung: 2 aus Käufer, Verkäufer, Schlichtungsstelle müssen zustimmen Investment-Funds Inflation verhindern Richtige Anonymisierung z.b. zcash mit Zero-Knowledge-Proofs Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 15

27 Altcoins Bitcoin ist weiterhin die größte Kryptowährung Verschiedene Motivationen: Schneller Block-Berechnungen als 10 Minuten Andere Puzzles (z.b. scrypt statt SHA2-256) Mining dann mit GPUs statt ASICs Smart Contracts: Komplexe Transaktionen z.b. zur Absicherung: 2 aus Käufer, Verkäufer, Schlichtungsstelle müssen zustimmen Investment-Funds Inflation verhindern Richtige Anonymisierung z.b. zcash mit Zero-Knowledge-Proofs Aber auch: Finanzielle Motivation für Altcoin-Erfinder Netzwerksicherheit Krypto-Währungen 15