[論文レビュー] TARANET: Traffic-Analysis Resistant Anonymity at the NETwork layer

Chen Chen, Daniele E. Asoni+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2018

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 31被引用数 6

ひとこと要約

TARANET は、接続確立時のミキシングとパケット分割に基づくエンドツーエンドのトラフィック整形を組み合わせることで、トラフィック分析から抵抗するネットワーク層匿名性システムであり、コンmodityハードウェア上で 50 Gbps を超えるスループットを達成しながら、高遅延プロトコルに依存せずに強力な匿名性保証を提供する。

ABSTRACT

Modern low-latency anonymity systems, no matter whether constructed as an overlay or implemented at the network layer, offer limited security guarantees against traffic analysis. On the other hand, high-latency anonymity systems offer strong security guarantees at the cost of computational overhead and long delays, which are excessive for interactive applications. We propose TARANET, an anonymity system that implements protection against traffic analysis at the network layer, and limits the incurred latency and overhead. In TARANET's setup phase, traffic analysis is thwarted by mixing. In the data transmission phase, end hosts and ASes coordinate to shape traffic into constant-rate transmission using packet splitting. Our prototype implementation shows that TARANET can forward anonymous traffic at over 50~Gbps using commodity hardware.

研究の動機と目的

• 既存のシステムにおけるパフォーマンスと強力な匿名性の根本的トレードオフを解決すること。
• 高遅延プロトコルに依存せずにトラフィック分析に耐性のあるネットワーク層匿名性システムを設計すること。
• フローの経路上におけるすべてのリンクで一定レートのトラフィック送信を可能にし、トラフィックパターンの漏洩を防ぐこと。
• パケットのインジェクションおよびリプレイ攻撃が暗号的に防止されることを保証すること。
• 強力な匿名性保証を維持しながら、高いパフォーマンスとスケーラビリティを達成すること。

提案手法

• TARANET は、接続確立フェーズでミキシングを用いて初期接続パターンを隠蔽する。
• トラフィックをフローレットに分割することでエンドツーエンドのトラフィック整形を実現し、全リンクで一貫した定常レートで送信する。
• 各転送ノードは、通過するすべてのリンクで一定レートのフローレットを維持するために、出力送信レートを調整する。
• パケット分割は、特定のノードで1つのパケットから2つの有効なパケットを生成する暗号的プリミティブとして機能し、パケット損失や遅延があってもレート同期を可能にする。
• エンドホストと中間のAS間でキーシェアを協調的に行うことで、パケット分割および送信の認証とセキュリティを確保する。
• TARANET は、パス整合性とパス配布のための制御プレーンインfraをサポートする既存のネットワークアーキテクチャ（例：SCION や NEBULA）を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットワーク層匿名性システムは、低遅延と高スループットを維持しながら、トラフィック分析に対して強力に耐性を持つことができるか？
• RQ2 エンドツーエンドの調整を用いて、フローの経路上におけるすべてのリンクで一定レートのトラフィック送信を維持することは可能か？
• RQ3 パケット分割をどのようにして、複数の転送ノード間で安全かつ効率的に送信レートを同期化することができるか？
• RQ4 ネットワーク層匿名性システムにミキシングとトラフィック整形を統合する際のパフォーマンスとセキュリティのトレードオフは何か？
• RQ5 このようなシステムは、実世界のネットワークインfraに段階的に展開可能か？

主な発見

• TARANET は、コンmodityハードウェアを用いたプロトタイプ実装で 50 Gbps を超えるスループットを達成し、大規模なパフォーマンスを実証した。
• 協調的なトラフィック整形により、すべてのリンクで一定レートの送信を維持することで、トラフィックパターンの漏洩を防止した。
• パケット分割により、パケット損失や遅延があっても、リプレイやインジェクション攻撃を許容しない安全なレート同期が可能になった。
• パスが敵対者に完全に制御されていない限り、一部のノードが侵害されてもシステムのセキュリティは維持される。
• TARANET は段階的展開をサポートしており、初期段階では物理的にリンクを共有しない少数のISPでの導入が可能で、参加するISPが増えるほどパフォーマンスが向上する。
• 実際の帯域幅に比例した線形的な状態成長のため、帯域幅ベースのDoS攻撃に対してレジリエンスを示した。