Aspectos de seguridad de Bitcoin y su aplicación en una alternativa de infraestructura de llave ...

159 Pages·2015·4.58 MB·Spanish

Centro de Investigación y de Estudios Avanzados
del Instituto Politécnico Nacional
Unidad Zacatenco
Departamento de Computación
Aspectos de seguridad de Bitcoin
y su aplicación en una alternativa
de infraestructura de llave pública
Tesis que presenta
Abraham Jesús Basurto Becerra
para obtener el grado de
Maestro en Ciencias en Computación
Director de la tesis:
Dr. Francisco José Rambó Rodríguez Henríquez
México, D.F. Diciembre, 2015

(cid:40)(cid:40)Ipsa scientia potestas est(cid:41)(cid:41)
—SirFrancisBacon
A mis padres

RESUMEN
Cuando se emplea criptograf´ıa de llave asime´trica en una comunicacio´n es imprescindible el poder ve-
rificar que la llave pu´blica de una entidad es aute´ntica. En caso de no ser esto posible se corre el riesgo
desufrirunataquedelintrusodeenmedioentreotras,comprometiendodeestamaneralaseguridaddela
comunicacio´n.
Enlosalboresdelacriptograf´ıadellavepu´blica,ensuart´ıculoseminalde1976,WhitfieldDiffieyMartin
Hellmanpropusieronundirectoriopu´blicodondesecolocar´ıanlasllavesdecifradojuntoconelnombrey
la direccio´n del propietario. Ellos consideraron que el problema del acceso a e´ste era fa´cil de resolver, ya
que la lectura siempre estar´ıa permitida y como la escritura ser´ıa ocasional, se pod´ıan emplear elaborados
mecanismosdeproteccio´n.
En1978,LorenKohnfelderpropusoelconceptodecertificadosdigitales.Enellos,unaautoridadcerti-
ficadora enlaza un nombre a una llave pu´blica mediante una firma electro´nica. La Unio´n Internacional de
Telecomunicacionesadopto´loscertificadosyrealizo´elesta´ndarX.509en1988,mismoquehasidoadoptado
porlaindustriacomoelmodeloaempleareninfraestructuradellavepu´blica.
El objetivo principal del desarrollo de la infraestructura de llave pu´blica es: hacer posible la obtencio´n
dellavespu´blicasdemanerasegura,convenienteyeficiente.Laobjecio´nprincipalalossistemasdeinfra-
estructura de llave pu´blica basados en X.509 es el empleo del modelo de confianza jera´rquico. Se conf´ıa
ciegamenteenlasautoridadescertificadoras.Enelcasodequealgunaautoridadcertificadoraseacompro-
metida,elatacantepuedeemitircertificadosfalsos,suplantandoacualquierentidadquedesee,singenerar
sospechaalgunadepartedelav´ıctimapotencialdetalengan˜o.
V
VI RESUMEN
Estemismoproblemasepresentaenlagestio´ndedineroelectro´nicoconfiableyseguro.Enlosmodelos
iniciales, como el presentado por David Chaum en 1983, se requer´ıa de una tercera entidad (normalmen-
te un banco) la cual deb´ıa emitir el dinero electro´nico a los usuarios, y en caso de que tal emisor fuera
comprometido,elatacanteser´ıacapazdeacun˜ardineroelectro´nicoaplacer.
En2008,SatoshiNakamotopublico´ Bitcoin:APeer-to-PeerElectronicCashSystem,dondecombinava-
riosconceptosdesarrolladosporpropuestaspreviasdesistemasdedineroelectro´nico,paralograrunsistema
completamentedescentralizado.Lainnovacio´nclavedeBitcoinesta´ enelusodeunsistemadistribuidoque
empleaunalgoritmode(cid:40)(cid:40)pruebadetrabajo(cid:41)(cid:41),enelqueaproximadamentecadadiezminutossellevaacabo
una (cid:40)(cid:40)eleccio´n(cid:41)(cid:41), permitiendo a la red descentralizada llegar a un consenso global acerca del estado de las
transacciones.
En Bitcoin no existe una entidad todopoderosa que gobierne la emisio´n de dinero. Esto se logra em-
pleandounaredpuntoapunto(P2P),enlacual,losparticipantesconcursanparaproducirnuevasmonedas,
as´ıcomo,porobtenerunagananciaalprocesaryasegurarlastransacciones.Bitcoinhaoperadodesde2009
sin haberse encontrado alguna vulnerabilidad que comprometa la seguridad del sistema y que, por lo tan-
to, permita a alguien el poder crear u obtener bitcoins sin seguir el protocolo y competir con los dema´s
participantes.
TodaslastransaccionesrealizadasdesdeeliniciodeBitcoinseencuentranalmacenadasenelblockchain
—labita´coraglobaldeBitcoin—.CadaclientedelareddeBitcoinalmacenadeformaindependienteuna
copiadelblockchain.Sufuncio´nesprevenirquealgu´nindividuotratedegastarma´sdeunavezunamoneda
electro´nicaas´ıcomoevitarquealguientratedemodificartransaccionesyarealizadas.
ElobjetivodeestetrabajoesestudiarlosconceptosqueempleaBitcoinparaasegurarsustransacciones,
paraposteriormentepoderaplicarlosalcampodelossistemasdeinfraestructuradellavepu´blica,teniendo
como finalidad eliminar la necesidad autoridades certificadoras ra´ız y as´ı lograr un sistema que opere de
formadescentralizada.
Se propone emplear un blockchain para realizar lo que plantearon hace casi 40 an˜os Diffie y Hellman:
un directorio pu´blico, con permiso de lectura para cualquiera y con un proceso de escritura realizado por
unaredpuntoapuntocompitiendoporcrearnuevosbloques.Aumentandoconcadabloqueladificultadde
podermodificarmaliciosamentelosdatos.
Aleliminarlanecesidaddeconfianzaciegaenunaautoridadcertificadoraselograunatotaltransparencia
enlaemisio´ndecertificadosra´ız.Tambie´nsediluyeelriesgodecompromiso,yaquenoexisteunaentidad
centralqueemitaloscertificados.
ABSTRACT
Whenasymmetrickeycryptographyisusedtosecureacommunication,beingabletoverifyanentity’s
publickeyisessential.Whenthisisnotpossible,thereexistsahighriskthatanoponentmaylaunchsuc-
cessful man-in-the-middle and misbinding-identity attacks, compromising in this way the communication
security.
Atthedawnofpublickeycryptography,WhitfieldDiffieandMartinHellmanintheirseminalpaperof
1976 proposed a public directory where all the enciphering keys will be placed along with the name and
addressoftheowner.Theyconsideredthattheaccesstothisdirectorywillbeaneasyproblem,beingthat
readingaccesswillalwaysbegranted,andatthesametimethedatawillbeinfrequentlymodified.Hence,
elaboratedwriteprotectionmechanismscouldbeemployed.
In1978,LorenKohnfelderproposedtheconceptofdigitalcertificates,whereacertificateauthoritybinds
a name witha public key by usinga digital signature. Certificates were adoptedby the International Tele-
communication Union and employed in the X.509 standard released in 1988, which was embraced by the
industryasthedefactomodelforpublickeyinfrastructure.
Themaingoalofthepublickeyinfrastructuredevelopmentis:tomakepossibleobtainingpublickeysin
asecure,convenientandefficientfashion.TheprincipalobjectiontoX.509basedPKIsystemsisitsreliance
inthehierarchicaltrustmodel.Certificationauthoritiesareblindlytrusted.IntheeventthatoneCAiscom-
promised,theattackerwouldbeabletoissuefakecertificates,effectivelysupplantinganyraisingentityand
withoutanysuspicionofthepotentialvictimoftheattack.
VII
VIII ABSTRACT
Thesameproblemexistsinthesecureandreliablemanagementofelectronicmoney.Intheinitialmodels,
liketheonepresentedbyDavidChaumin1983,atrustedthirdparty(normalyabank)wasrequiredtomint
and then issue the electronic money to the the users. In the event that the issuer gets compromised, the
attackerwillbeabletoissuemoneyatwill.
In2008,SatoshiNakamotopublishedBitcoin:APeer-to-PeerElectronicCashSystem,wherehecombi-
nesseveralconceptspreviouslydevelopedinelectronicmoneysystemstoachieveacompletelydecentralized
system. The key innovation in Bitcoin is the use of a distributed system that employs a proof-of-work al-
gorithm, in which approximately every 10 minutes an election is performed, this is how the decentralized
networkreachesconsensusaboutthetransactionscurrentstate.
InBitcoin,thereisnoalmightyentitythatrulestheissuingofmoney.Thisisachievedbyapeer-to-peer
network, in which the participants compete to mint new coins and also to obtain a fee by processing and
securingthetransactions.Bitcoinhasbeenoperatingsince2009withoutanyvulnerabilitybeingfoundthat
compromises the security of the system and by this allowing someone to issue or obtain bitcoins without
followingtheprotocolofcompetingwiththeotherparticipants.
Every transaction made since the beginning of Bitcoin is stored in the blockchain —Bitcoin’s global
ledger—.EachclientintheBitcoinnetworkstoresanindependentcopyoftheblockchain.Itspurposeisto
preventdoublespendingandtransactionmanipulation.
TheobjectiveofthisworkistoapplytheconceptsthatBitcoinemploystosecureitstransactionstothe
fieldofthepublickeyinfrastructuresystems,havingasagoalgettingriddenoftheneedofrootcertification
authoritiesandbythisenablingadecentralizedsystem.
Using a blockchain to achieve what Diffie and Hellman stated almost 40 years ago, a public directory
withreadaccesstoanyoneandawritingprocessperformedbyapeer-to-peernetworkcompetingtocreate
newblocksisproposed.Increasingwitheverynewblockthedifficultyofmaliciousdatamodifications.
Bygettingriddenoftheblindtrustinacertificationauthority,totaltransparencyisachievedintheemis-
sionofrootcertificates.Alsotheriskofbeingcompromisedisdisseminatedastheredoesnotexistacentral
certificateissuer.
AGRADECIMIENTOS
(cid:40)(cid:40)Elagradecimientoeslamemoriadelcorazo´n(cid:41)(cid:41)
—LAO-TSE´
AgradezcoalConsejoNacionaldeCienciayTecnolog´ıa(CONACYT)porelapoyoecono´micobrindado
alolargodelosdosan˜osdelprogramademaestr´ıa.
AlproyectoSEP-CONACYT180421,porelapoyoecono´micobrindadoparalaobtencio´ndelgrado.
IX
X ABSTRACT
GraciasPapa´ porensen˜armeanuncarendirmeantelosproblemas,graciasMama´ porensen˜armequeel
amor es la fuerza ma´s grande que existe. Agradezco a Dios el haberme dado unos padres tan amorosos.
Siemprelosllevare´ enmicorazo´n.
Graciasamihermano,quehasidoungranco´mplicealolargodeestaaventurallamadavida.
AgradezcodeformaespecialalDr.FranciscoRodr´ıguezHenr´ıquez—miasesor—porsusensen˜anzas,
suconfianza,supaciencia,suorientacio´nysuayuda.
Amisrevisores,laDra.SandraD´ıazSantiagoyelDr.LuisGerardodelaFraga,porenriquecermitrabajo
detesisconsuscontribuciones.
AtodoslosexcelentesinvestigadoresdelDepartamentodeComputacio´n,loscualesmetransmitieronun
pocodesuconocimientoalolargodesusclases.
Atodosmiscompan˜erosconloscualesrecorr´ıestecamino,graciasporesosratosamenosydesveladas
que vivimos; por su amistad, su apoyo, su confianza, sus consejos; por compartir su conocimiento y por
hacerdem´ıunamejorpersona.
Atodoelpersonaladministrativoydeauxiliaresdeinvestigacio´ndelDepartamentodeComputacio´n.A
Sofi,FeliyErikaporsuamabilidadyporprotegernosdelosfilososdientesdelaburocracia.AlDr.Santia-
go, al Mtro. Jose´ Luis y al Ing. Arcadio por procurar que todos los servicios que usamos d´ıa a d´ıa para el
desempen˜odenuestrasactividadesseencuentreneno´ptimascondiciones.
Al Centro de Investigacio´n y de Estudios Avanzados del Instituto Polite´cnico Nacional (Cinvestav) por
permitirmeserpartedeestagraninstitucio´n.
A.J.B.B.