[논문 리뷰] IP over Voice-over-IP for censorship circumvention

Amir Houmansadr, Thomas Riedl외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 11.

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting참고 문헌 16인용 수 7

한 줄 요약

FreeWave는 VoIP 채널을 통해 음성 신호로 인터넷 트래픽을 인코딩하여 검열 회피를 구현하는 시스템으로, 종단 간 암호화와 음향 변조를 통해 감시자에 의해 탐지되지 않도록 한다. 기존의 VoIP 인프라(예: Skype)를 활용하고, 무관심 노드를 통해 트래픽을 라우팅함으로써 IP 차단 또는 깊은 패킷 검사 기반의 검열자에게도 탐지되지 않으며, 최대 19.2 kbps의 신뢰성 있는 데이터 전송 속도를 달성하여 웹 브라우징에 충분한 성능을 제공한다.

ABSTRACT

Open communication over the Internet poses a serious threat to countries with repressive regimes, leading them to develop and deploy network-based censorship mechanisms within their networks. Existing censorship circumvention systems face different difficulties in providing unobservable communication with their clients; this limits their availability and poses threats to their users. To provide the required unobservability, several recent circumvention systems suggest modifying Internet routers running outside the censored region to intercept and redirect packets to censored destinations. However, these approaches require modifications to ISP networks, and hence requires cooperation from ISP operators and/or network equipment vendors, presenting a substantial deployment challenge. In this report we propose a deployable and unobservable censorship-resistant infrastructure, called FreeWave. FreeWave works by modulating a client's Internet connections into acoustic signals that are carried over VoIP connections. Such VoIP connections are targeted to a server, FreeWave server, that extracts the tunneled traffic of clients and proxies them to the uncensored Internet. The use of actual VoIP connections, as opposed to traffic morphing, allows FreeWave to relay its VoIP connections through oblivious VoIP nodes, hence keeping itself unblockable from censors that perform IP address blocking. Also, the use of end-to-end encryption prevents censors from identifying FreeWave's VoIP connections using packet content filtering technologies, like deep-packet inspection. We prototype the designed FreeWave system over the popular VoIP system of Skype. We show that FreeWave is able to reliably achieve communication bandwidths that are sufficient for web browsing, even when clients are far distanced from the FreeWave server.

연구 동기 및 목표

• IP 차단 및 깊은 패킷 검사를 사용하는 정권 하에서 검열 회피 시스템의 불가탐지성 문제를 해결하기 위해.
• ISP나 네트워크 벤더의 협조 없이도 실용적인 구현이 가능한 시스템을 설계하기 위해.
• 음향 변조와 종단 간 암호화를 통해 정상적인 VoIP 세션에 트래픽을 숨겨 불가관측성을 달성하기 위해.
• Skype 기반 프로토타입을 통해 실현 가능성을 입증하여 웹 브라우징에 사용 가능한 대역폭 확보를 위해.

제안 방법

• 클라이언트의 인터넷 트래픽을 음성 신호로 변조하기 위해 전용 MoDem(모odulator-디모드룰레이터)를 사용하여 VoIP 채널을 통해 전송한다.
• 심층 패킷 검사를 통해 콘텐츠 기반 탐지를 방지하기 위해 종단 간 암호화를 사용한다.
• VoIP 인프라(예: Skype)를 활용하여 무관심 노드를 통해 트래픽을 전달함으로써 IP 주소 차단이 무력화되도록 한다.
• 노이즈가 있는 채널에서 신호 복구 성능을 향상시키기 위해 외부 LLR 피드백을 포함한 반복적 터보 등화 및 디코딩을 적용한다.
• 채널 품질에 따라 변조 파라미터(설정 크기 Q, 심볼 속도 1/T, 코딩 비율 Rc)를 동적으로 조정하여 최대 데이터 전송 속도를 확보한다.
• MoDem을 VoIP 클라이언트와 연동하기 위해 가상 오디오 카드(VSC)를 사용하여 전체 시스템 통합을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네트워크 수준의 수정 없이도 음향 신호를 통해 VoIP 채널을 통해 인터넷 트래픽을 신뢰성 있게 전송할 수 있는가?
• RQ2 IP 차단 및 깊은 패킷 검사를 사용하는 검열자가 탐지하지 못하도록 하는 검열 회피 시스템은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 신뢰성과 낮은 패킷 손실을 유지하면서 VoIP를 통해 음향 변조를 사용할 경우 도달 가능한 데이터 전송 속도는 얼마인가?
• RQ4 Skype와 같은 기존에 널리 사용되는 VoIP 플랫폼을 사용해도 특권 접근 권한이나 인프라 변경 없이 시스템을 구현할 수 있는가?
• RQ5 변조 및 코딩 파라미터의 동적 적응이 다양한 네트워크 조건에서 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• FreeWave는 시카고에 위치한 클라이언트와 인디애너폴리스 근처에 위치한 서버 간에 19.2 kbps의 안정적인 데이터 전송 속도를 달성하여 웹 브라우징에 충분한 성능을 확보했다.
• 폴란드에 위치한 클라이언트는 16 kbps의 전송 속도를 기록하여 장거리 VoIP 연결에서도 성능을 입증했다.
• 시카고 클라이언트의 경우 패킷 손실률이 0.01%로 매우 낮았으며, 폴란드 클라이언트의 경우 0.06%로 높은 신뢰성을 보였다.
• 비트 오류율(BER) 성능 분석 결과, 동일한 SNR 조건에서 터보 코딩 전송이 기존의 컨volutional 코딩보다 우수한 성능을 보였다.
• 종단 간 암호화와 음향 변조를 적용함으로써, IP 차단 또는 콘텐츠 필터링을 사용하는 검열자에게도 FreeWave 연결이 탐지되지 않았다.
• Skype 기반의 프로토타입 구현을 통해 ISP 인프라나 VoIP 프로토콜에 대한 변경 없이 FreeWave를 구현할 수 있음을 확인했다.