Security analysis of JoinMarket CoinJoin protocol

Bc. David Rajnoha

Master's thesis

Anotácia:

Bitcoin nabízí pouze omezené záruky anonymity ve své výchozí konfiguraci. JoinMarket, decentralizovaný protokol coinjoin fungující již více než deset let, usiluje o posílení soukromí transakcí prostřednictvím kolaborativního míchání. Přestože byly různé útoky proti JoinMarketu teoreticky diskutovány a některá protiopatření implementována, důkladné empirické hodnocení jeho bezpečnostních záruk zůstává v akademické literatuře omezené. Tato práce analyzuje odolnost JoinMarketu vůči útoku coinjoin-sudoku prostřednictvím simulace i analýzy reálných dat. Vyvinuli jsme simulační prostředí schopné modelovat interakce účastníků a implementovali jsme deanonymizační útok coinjoin-sudoku pro systematické vyhodnocení vlastností soukromí JoinMarketu. Shromáždili jsme data z orderbooku z veřejných zdrojů pro stanovení parametrů simulace a provedli jsme analýzu na 889 reálných coinjoin transakcích z roku 2025. Naše výsledky odhalují existující zranitelnosti v zárukách soukromí JoinMarketu. Zatímco jednotlivá účast v coinjoinu poskytuje dostatečnou anonymitu, opakované účasti nemusí zaručit očekávané zvýšení anonymity. V simulovaném prostředí s výchozími parametry jsme úspěšně identifikovali JoinMarket roli ke vstupům u 90 % transakcí a propojili 64 % finálních transakcí zpět k jejich počátečním transakcím v řetězcích účastí. Na reálných datech algoritmus coinjoin-sudoku identifikoval roli pro 68 % transakcí. Tato zjištění naznačují, že opakovaná účast v JoinMarketu nemusí poskytovat kumulativní benefity soukromí, jelikož útočníci s dostatečnými prostředky by mohli rozekrýt aktivitu uživatelů napříč více coinjoiny.

Abstract:

Bitcoin offers only limited anonymity guarantees in its default configuration. JoinMarket, a decentralized coinjoin protocol, aims to enhance transaction privacy through collaborative mixing. While various attacks against JoinMarket have been theoretically discussed and some countermeasures implemented, rigorous empirical evaluation of its security guarantees remains limited in academic literature. This thesis analyzes JoinMarket's resistance to the coinjoin-sudoku attack through both simulation and real-world data analysis. We developed a simulation environment capable of modeling participant interactions and implemented the coinjoin-sudoku deanonymization attack to systematically evaluate JoinMarket's privacy properties. We gathered orderbook data from public sources to inform simulation parameters and finally performed the analysis against 889 real-world coinjoin transactions from 2025. Our results reveal existing vulnerabilities in JoinMarket's privacy guarantees. While individual coinjoin participation provides adequate anonymity, consecutive participations may not provide expected privacy gains. In simulated environments with default parameters, we successfully identified JoinMarket role for inputs in 90% of transactions and linked 64% of final transactions back to their initial transactions in participation chains. Real-world analysis demonstrated that coinjoin-sudoku found candidate JoinMarket role for inputs in 68% transactions. These findings indicate that repeated JoinMarket participation may not provide cumulative privacy benefits, as adversaries with sufficient resources could trace user activity across multiple coinjoins.

Keywords

JoinMarket, Bitcoin, coinjoin, anonymity, privacy, deanonymization, transaction analysis, coinjoin-sudoku, blockchain analysis, cryptocurrency mixing

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 16. 12. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 4. 2. 2026
• Vedúci: doc. RNDr. Petr Švenda, Ph.D.
• Oponent: RNDr. Adam Janovský, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Master programme / odbor:
Computer systems, communication and security / Information security