[論文レビュー] Robust Website Fingerprinting Through the Cache Occupancy Channel

Anatoly Shusterman, Lachlan Kang+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2018

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 81被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、ブラウザのキャッシュ側帯を介したウェブサイトフォグマッピングが、現代の防御機構に対しても非常に有効であることを示している。JavaScript を用いて最後段階キャッシュの使用状況を測定することで、著者らは訪問されたウェブサイトの高精度な分類を達成した。これはネットワークベースのフォグマッピングと同等またはそれを上回るが、トラフィックシェーピングやタイマー解像度の低下といった防御に対しては耐性がある。

ABSTRACT

Website fingerprinting attacks, which use statistical analysis on network traffic to compromise user privacy, have been shown to be effective even if the traffic is sent over anonymity-preserving networks such as Tor. The classical attack model used to evaluate website fingerprinting attacks assumes an on-path adversary, who can observe all traffic traveling between the user's computer and the secure network. In this work we investigate these attacks under a different attack model, in which the adversary is capable of sending a small amount of malicious JavaScript code to the target user's computer. The malicious code mounts a cache side- channel attack, which exploits the effects of contention on the CPU's cache, to identify other websites being browsed. The effectiveness of this attack scenario has never been systematically analyzed, especially in the open-world model which assumes that the user is visiting a mix of both sensitive and non-sensitive sites. We show that cache website fingerprinting attacks in JavaScript are highly feasible. Specifically, we use machine learning techniques to classify traces of cache activity. Unlike prior works, which try to identify cache conflicts, our work measures the overall occupancy of the last- level cache. We show that our approach achieves high classification accuracy in both the open-world and the closed- world models. We further show that our attack is more resistant than network-based fingerprinting to the effects of response caching, and that our techniques are resilient both to network-based defenses and to side-channel countermeasures introduced to modern browsers as a response to the Spectre attack. To protect against cache-based website fingerprinting, new defense mechanisms must be introduced to privacy-sensitive browsers and websites. We investigate one such mechanism, and show that generating artificial cache activity reduces the effectiveness of the attack and completely eliminates it when used in the Tor Browser.

研究の動機と目的

• 悪意ある JavaScript インジェクションを用いた CPU キャッシュ側帯を介したウェブサイトフォグマッピングの実現可能性を調査すること。
• ユーザーが機密サイトと非機密サイトの混合を訪問するオープンワールドモデルにおいて、キャッシュベースのフォグマッピングの効果を評価すること。
• トラフィックシェーピングやブラウザにおけるタイマー解像度の低下といった一般的な防御対策に対する耐性を評価すること。
• 人工的なキャッシュ活動を用いた防御メカニズムを提案し、その有効性を評価すること。

提案手法

• 最後段階キャッシュの使用状況を時間経過で測定することで、ブラウザキャッシュの活動を捉える2つのメモリグラマーを開発した。
• キャッシュ活動トレースに基づいてウェブサイトフォグマッピングを分類するためのディープラーニングモデルを用いた。
• 実際のユーザーのブラウジングセッションから収集したキャッシュ使用状況パターンを用いて分類器をトレーニングした。
• ウェブサイトの完全な制御が不要な状況でも、被害者のブラウザでキャッシュ動作を監視できるように、JavaScript をインジェクションした。
• ネットワークレベルでのごまかしをシミュレートすることで、トラフィックシェーピング防御に対する耐性を評価した。
• 人工的なキャッシュ活動を用いた防御メカニズムを提案し、その有効性をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 悪意ある JavaScript インジェクションを用いた CPU キャッシュ側帯のみを用いて、ウェブサイトフォグマッピングを効果的に行うことができるか？
• RQ2 オープンワールドモデルにおけるキャッシュベースのフォグマッピングは、クローズドワールド設定と比較してどの程度の性能を示すか？
• RQ3 トラフィックシェーピングなどのネットワークベースの防御に対して、キャッシュベースのフォグマッピングはどの程度耐性を示すか？
• RQ4 現代のブラウザ対策（例：タイマー解像度の低下）は、キャッシュベースのフォグマッピングに対してどの程度効果を発揮するか？
• RQ5 人工的なキャッシュ活動は、キャッシュベースのウェブサイトフォグマッピングに対する実用的な防御として機能するか？

主な発見

• キャッシュベースのウェブサイトフォグマッピングは、最先端のネットワークベースのフォグマッピングと同等の分類精度を達成する。
• ブラウザのレスポンスキャッシュが有効な状況では、ネットワークトラフィックの変動が減少するため、キャッシュベースのフォグマッピングがネットワークベースの手法を上回る性能を示す。
• Tor ブラウザでタイマー解像度が 100 ms にまで低下しても攻撃は依然として有効であり、ブラウザ側の対策に対しても耐性があることが示された。
• 人工的なキャッシュ活動はフォグマッピングの正確性を著しく低下させ、Tor ブラウザで使用された場合、完全に無効化することすら可能である。
• 異なるハードウェア構成に対しても本手法は頑健であり、あるシステムでトレーニングされた分類器が他のシステムに対してもある程度良好に一般化する。
• 正確なタイミング同期がなくても、キャッシュ活動はノイズがあるが利用可能な信号としてトレースの同期に使用可能である。