Detection of Bitcoin keys from hierarchical wallets generated using BIP32 with weak seed

Bc. David Rajnoha

Bachelor's thesis

Abstract:

Kryptografické systémy jsou do značné míry závislé na generování náhodnosti. Může však dojít k selhání, což vede k vytváření a používání nenáhodných hodnot a slabých kryptografických tajných klíčů. Tato práce zkoumá důsledky slabé náhodnosti při generování veřejných klíčů používaných v Bitcoinu, konkrétně klíčů vytvářených hierarchickými deterministickými peněženkami podle protokolu BIP32. Cílem je identifikovat a pochopit povahu, původ a důsledky těchto slabých klíčů se zaměřením na ekosystém Bitcoinu. Použili jsme čtyři přístupy generování semínek s nízkou entropií, přičemž jsme vygenerovali více než 200 milionů slabých klíčů. Poté jsme hledali průnik s klíči získanými z Bitcoinového blockchainu. Zároveň jsme vytvořili nástroj pro sledování dalších výskytů. Identifikovali jsme 14 různých semínek s nízkou entropií použitých ke generování klíčů využitých na Bitcoinu. Nejčastěji se vyskytovala semínka sestávající pouze z bitů "0". Bitcoinové adresy odpovídající slabým klíčům jsou monitorovány a zneužívány útočníky. Práce odhaluje, že slabá náhodnost se objevuje i v hierarchických deterministických peněženkách. Vyskytující se vzory potvrzují poznatky z předchozích studií. Otázkou, která z těchto zjištění vyplývá, je důvod vzniku těchto vzorů a následně identifikace konkrétních implementací za ně zodpovědných.

Abstract:

Cryptographic systems rely heavily on the generation of random values. However, failures can occur, leading to the production and use of non-random values and weak cryptographic secrets. This thesis investigates the implications of weak randomness in generating public keys used in Bitcoin, specifically those produced by hierarchical deterministic wallets following the BIP32 protocol. The aim is to identify and understand the nature, origin, and implications of these weak keys in the Bitcoin ecosystem. We used four low-entropy seed generation approaches, generating over 200 million weak keys. We then sought intersections with keys ex- tracted from the Bitcoin blockchain. Additionally, we have established a tool for monitoring further occurrences. We identified 14 distinct low-entropy seeds used to generate keys present on the Bitcoin blockchain. The most often encountered were seeds consisting of only ’0’ bits. The Bitcoin addresses corresponding to the weak keys are monitored and exploited by attackers. The thesis reveals that weak randomness appears in the hierarchi- cal deterministic wallets. The occurring patterns confirm the finding from previous studies. A question that arises from our results is the origin of these patterns — clarifying why they appear and identifying the particular implementations responsible for them.

Keywords

randomness, RNG, TRNG, CSPRNG, seed, hierarchical deterministic wallet, Bitcoin, BIP32, public key cryptography

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 5. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 27. 6. 2023
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Švenda, Ph.D.
• Reader: RNDr. Antonín Dufka

Masaryk University

Faculty of Informatics

Bachelor programme / field:
Informatics / Informatics