[論文レビュー] HORNET: High-speed Onion Routing at the Network Layer

Chen Chen, Daniele E. Asoni+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2015

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 25被引用数 23

ひとこと要約

HORNET は、中間ルーターにおけるフローごとの状態を排除し、パケットヘッダーに状態を保持する対称暗号を用いることで、低遅延でスケーラブルな匿名通信を実現する高速なネットワーク層オニオンルーティングシステムである。コンmodityハードウェア上で 93 Gb/s 以上のスループットを達成し、最新のネットワークレベル匿名システムと同等の強固なセキュリティとパフォーマンスを提供する。送信者匿名性および送信者-受信者匿名性の両方をサポートする。

ABSTRACT

We present HORNET, a system that enables high-speed end-to-end anonymous channels by leveraging next generation network architectures. HORNET is designed as a low-latency onion routing system that operates at the network layer thus enabling a wide range of applications. Our system uses only symmetric cryptography for data forwarding yet requires no per-flow state on intermediate nodes. This design enables HORNET nodes to process anonymous traffic at over 93 Gb/s. HORNET can also scale as required, adding minimal processing overhead per additional anonymous channel. We discuss design and implementation details, as well as a performance and security evaluation.

研究の動機と目的

• 大量監視に耐える、スケーラブルで高性能な匿名システムをネットワーク層で設計すること。
• 中間ルーターにおけるフロー単位の状態を排除しながらも、強固な匿名性保証を維持すること。
• 効率的な対称暗号を用いて、送信者匿名性および送信者-受信者匿名性を実現すること。
• 次世代インターネットアーキテクチャにおけるネットワーク層匿名性のパフォーマンスとセキュリティのトレードオフを評価すること。
• 通常のトラフィックのパフォーマンスに影響を与えることなく、匿名性をネットワーク内サービスとして統合する可能性を検討すること。

提案手法

• HORNET は、ソースがパスを選択し、エンドポイントとルーター間で共有鍵を用いることで、ネットワーク層でのオニオンルーティングを実現する。
• 接続状態（暗号解除鍵を含む）を直接パケットヘッダーに埋め込むことで、中継ルーターにおけるフロー単位の状態の必要性を排除する。
• データ転送に対称暗号を採用することで、中間ノードにおける計算オーバーヘッドを低減する。
• HORNET は非対称パスをサポートし、最初のホップ AS が侵害された場合でも耐性を保つことができ、柔軟性とレジilエンスを向上させる。
• 伝送遅延を低減し、パフォーマンスを向上させるために、下位のネットワークアーキテクチャが提供する短い直接パスを活用する。
• 通常のトラフィック処理に影響を与えることなく、ルーターに匿名機能を統合する設計であり、攻撃的状況下でも動作を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中間ルーターにおけるフロー単位の状態が不要な状態で、ネットワーク層で高速な匿名システムをどのように設計できるか。
• RQ2 接続状態をパケットヘッダーに保持するのと、中継ルーターで保持するのとで、どのようなパフォーマンスとセキュリティのトレードオフが生じるか。
• RQ3 複数の観測ポイントを持つ敵に対して、オーバーレイベースのシステムと比較して、ネットワーク層匿名性がより強力な保護を提供できるか。
• RQ4 ネットワークインfraに匿名サービスを統合すると、全体のスループットとスケーラビリティにどのような影響を与えるか。
• RQ5 大規模な高パフォーマンスで安全な匿名通信を実現するために、最小限でどの程度のアーキテクチャ的支援が必要か。

主な発見

• HORNET は、コンmodityハードウェア上で 93 Gb/s を超えるデータ処理速度を達成し、ラインレートの約 80% に近い性能を発揮する。
• システムは強固なセキュリティ保証を維持しており、受動的攻撃および一部の能動的攻撃（複数のネットワーク観測ポイントを悪用する攻撃を含む）に対して防御可能である。
• 接続状態をパケットヘッダーに埋め込むことで、中継ルーターにおけるフロー単位の状態が不要となり、高いスケーラビリティと低遅延転送が実現される。
• HORNET は送信者匿名性および送信者-受信者匿名性を両方サポートし、パス情報がすべてパケットヘッダーに隠されている。
• エンドツーエンドのオニオン暗号による強力なペイロード保護を追加しているにもかかわらず、LAP や Dovetail と同等のパフォーマンスを発揮する。
• パケットヘッダーのサイズをわずかに増加するだけで、パスの隠蔽やフローピアリング攻撃に対する耐性といった顕著なセキュリティメリットが得られる。