Cybersecurity applications of Blockchain technologies

With the increase in connectivity, the popularization of cloud services, and the rise of the Internet of Things (IoT), decentralized approaches for trust management are gaining momentum. Since blockchain technologies provide a distributed ledger, they are receiving massive attention from the research community in different application fields. However, this technology does not provide cybersecurity by itself. Thus, this thesis first aims to provide a comprehensive review of techniques and elements that have been proposed to achieve cybersecurity in blockchain-based systems. The analysis is intended to target area researchers, cybersecurity specialists and blockchain developers. We present a series of lessons learned as well. One of them is the rise of Ethereum as one of the most used technologies. Furthermore, some intrinsic characteristics of the blockchain, like permanent availability and immutability made it interesting for other ends, namely as covert channels and malicious purposes. On the one hand, the use of blockchains by malwares has not been characterized yet. Therefore, this thesis also analyzes the current state of the art in this area. One of the lessons learned is that covert communications have received little attention. On the other hand, although previous works have analyzed the feasibility of covert channels in a particular blockchain technology called Bitcoin, no previous work has explored the use of Ethereum to establish a covert channel considering all transaction fields and smart contracts. To foster further defence-oriented research, two novel mechanisms are presented on this thesis. First, Zephyrus takes advantage of all Ethereum fields and smartcontract bytecode. Second, Smart-Zephyrus is built to complement Zephyrus by leveraging smart contracts written in Solidity. We also assess the mechanisms feasibility and cost. Our experiments show that Zephyrus, in the best case, can embed 40 Kbits in 0.57 s. for US$1.64, and retrieve them in 2.8 s. Smart-Zephyrus, however, is able to hide a 4 Kb secret in 41 s. While being expensive (around US$ 1.82 per bit), the provided stealthiness might be worth the price for attackers. Furthermore, these two mechanisms can be combined to increase capacity and reduce costs.Debido al aumento de la conectividad, la popularización de los servicios en la nube y el auge del Internet de las cosas (IoT), los enfoques descentralizados para la gestión de la confianza están cobrando impulso. Dado que las tecnologías de cadena de bloques (blockchain) proporcionan un archivo distribuido, están recibiendo una atención masiva por parte de la comunidad investigadora en diferentes campos de aplicación. Sin embargo, esta tecnología no proporciona ciberseguridad por sí misma. Por lo tanto, esta tesis tiene como primer objetivo proporcionar una revisión exhaustiva de las técnicas y elementos que se han propuesto para lograr la ciberseguridad en los sistemas basados en blockchain. Este análisis está dirigido a investigadores del área, especialistas en ciberseguridad y desarrolladores de blockchain. A su vez, se presentan una serie de lecciones aprendidas, siendo una de ellas el auge de Ethereum como una de las tecnologías más utilizadas. Asimismo, algunas características intrínsecas de la blockchain, como la disponibilidad permanente y la inmutabilidad, la hacen interesante para otros fines, concretamente como canal encubierto y con fines maliciosos. Por una parte, aún no se ha caracterizado el uso de la blockchain por parte de malwares. Por ello, esta tesis también analiza el actual estado del arte en este ámbito. Una de las lecciones aprendidas al analizar los datos es que las comunicaciones encubiertas han recibido poca atención. Por otro lado, aunque trabajos anteriores han analizado la viabilidad de los canales encubiertos en una tecnología blockchain concreta llamada Bitcoin, ningún trabajo anterior ha explorado el uso de Ethereum para establecer un canal encubierto considerando todos los campos de transacción y contratos inteligentes. Con el objetivo de fomentar una mayor investigación orientada a la defensa, en esta tesis se presentan dos mecanismos novedosos. En primer lugar, Zephyrus aprovecha todos los campos de Ethereum y el bytecode de los contratos inteligentes. En segundo lugar, Smart-Zephyrus complementa Zephyrus aprovechando los contratos inteligentes escritos en Solidity. Se evalúa, también, la viabilidad y el coste de ambos mecanismos. Los resultados muestran que Zephyrus, en el mejor de los casos, puede ocultar 40 Kbits en 0,57 s. por 1,64 US$, y recuperarlos en 2,8 s. Smart-Zephyrus, por su parte, es capaz de ocultar un secreto de 4 Kb en 41 s. Si bien es cierto que es caro (alrededor de 1,82 dólares por bit), el sigilo proporcionado podría valer la pena para los atacantes. Además, estos dos mecanismos pueden combinarse para aumentar la capacidad y reducir los costesPrograma de Doctorado en Ciencia y Tecnología Informática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: José Manuel Estévez Tapiador.- Secretario: Jorge Blasco Alís.- Vocal: Luis Hernández Encina