[論文レビュー] Holding all the ASes: Identifying and Circumventing the Pitfalls of AS-aware Tor Client Design

Rishab Nithyanand, Rachee Singh+2 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2016

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 24被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、リアルタイムのネットワーク測定と経路多様性を活用して脆弱な自律システム（AS）を回避することで、トラフィック相関攻撃を軽減するAS対応のTorクライアント、Cipollinoを提案する。vanilla TorのASレベルの脱匿名化リスクを58％から1.4％に低減した一方で、パフォーマンスはオリジナルクライアントと同等を維持し、リレーレベルの攻撃者に対するセキュリティを80％向上させた。

ABSTRACT

Traffic correlation attacks to de-anonymize Tor users are possible when an adversary is in a position to observe traffic entering and exiting the Tor network. Recent work has brought attention to the threat of these attacks by network-level adversaries (e.g., Autonomous Systems). We perform a historical analysis to understand how the threat from AS-level traffic correlation attacks has evolved over the past five years. We find that despite a large number of new relays added to the Tor network, the threat has grown. This points to the importance of increasing AS-level diversity in addition to capacity of the Tor network. We identify and elaborate on common pitfalls of AS-aware Tor client design and construction. We find that succumbing to these pitfalls can negatively impact three major aspects of an AS-aware Tor client -- (1) security against AS-level adversaries, (2) security against relay-level adversaries, and (3) performance. Finally, we propose and evaluate a Tor client -- Cipollino -- which avoids these pitfalls using state-of-the-art in network-measurement. Our evaluation shows that Cipollino is able to achieve better security against network-level adversaries while maintaining security against relay-level adversaries and

研究の動機と目的

• 過去5年間におけるTorにおけるASレベルのトラフィック相関攻撃の動向を分析すること。
• 既存のAS対応Torクライアントに見られるセキュリティとパフォーマンスを損なう5つの重要な設計上の落とし穴を同定・特徴づけること。
• 正確な経路測定と知的な回路選択により、これらの落とし穴を回避するCipollinoという新しいTorクライアントの設計と評価を行うこと。
• パフォーマンスを犠牲にすることなく、ASレベルおよびリレーレベルの攻撃者に対するセキュリティを向上させること。

提案手法

• 著者らは、PathCacheから得た歴史的および現在のネットワーク測定データを用いて、7.1KのTorリレーよりASレベルの相関リスクを分析した。
• リアルタイムの経路データに基づき、脆弱なASを通らない回路のみを事前に構築・再利用するようにCipollinoを設計した。
• 宛先ベースのグラフを用いたステッチングアルゴリズムを採用し、クライアントと宛先AS間の安全で重複のない経路を同定した。
• 事前に構築した回路の間で負荷分散戦略を実装し、攻撃表面を縮小した。
• 安全な事前構築回路が存在しない場合、線形計画法に基づくアプローチを用いて、ASレベルの攻撃者に対する露出を最小限に抑えた新しい回路を構築した。
• 制御プレーンとデータプレーンの両方の測定を統合することで、正確で最新の経路情報の確保を図り、静的または古くなったルーティングモデルへの依存を回避した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットワークの拡大が進んでも、過去5年間でTorにおけるASレベルのトラフィック相関攻撃の脅威はどのように変化したか？
• RQ2 既存のAS対応Torクライアントに見られる、脆弱性の増加やパフォーマンス劣化を引き起こす主な設計上の落とし穴は何か？
• RQ3 新しいTorクライアント設計が、オリジナルのTorクライアントと同等のパフォーマンスを維持しながら、ASレベルの攻撃者に対して強固なセキュリティを実現できるか？
• RQ4 回路の事前構築と再利用は、リレーレベルの攻撃者による脱匿名化リスクをどの程度低減できるか？

主な発見

• ASレベルのトラフィック相関攻撃の脅威は時間経過とともに増加した：ウェブ専用クライアントでは脆弱な回路が2010年の38％から2015年の41％に上昇し、ミックスアプリケーションクライアントでは21％から35％に上昇した。
• オリジナルのTorクライアントは、回路の積極的な再利用により、58％のウェブページをASレベルの相関によって脱匿名化のリスクにさらしていた。
• Cipollinoは、脆弱なウェブページの割合をわずか1.4％にまで低減し、オリジナルのTor（58％）やAstoria（11％）と比べて顕著な改善を示した。
• Cipollinoは、最先端のAS対応クライアントであるAstoriaと比較して、リレーレベル攻撃者の攻撃表面を80％低減した。
• Cipollinoにおけるページロード時間の中央値は、オリジナルのTorと1.6秒しか差がなく、Astoriaと比較して7秒も速かった。これは、優れたパフォーマンスの同等性を示している。
• 本研究は、TorネットワークにおけるASレベルの多様性が能力の増大に追いついていないことを確認しており、Cipollinoのようなプロアクティブなクライアント側防御が不可欠であると示唆している。