[논문 리뷰] Multiparty Routing: Secure Routing for Mixnets

Fatemeh Shirazi, Elena Andreeva외 2명|Lirias (KU Leuven)|2017. 08. 10.

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 믹스넷을 위한 새로운 안전한 라우팅 프rotocol인 다자 라우팅(MPR)을 제안한다. MPR는 라우팅 결정을 다자간 계산을 통해 분산시켜 경로 탈취 공격을 방지하면서도 확장성을 유지한다. 라우팅 결정을 분산하고 암호학적 기여 및 검증 가능한 셔플을 통해 정확성을 검증함으로써 MPR는 라우팅 무결성, 로드 밸런싱, 그리고 전역적 활성 공격자에 대한 저항성을 보장하며, 기존의 소스 라우팅 또는 홉별 라우팅에 비해 확장성 있고 안전한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Anonymous communication networks are important building blocks for online privacy protection. One approach to achieve anonymity is to relay messages through multiple routers, where each router shuffles messages independently. To achieve anonymity, at least one router needs to be honest. In the presence of an adversary that is controlling a subset of the routers unbiased routing is important for guaranteeing anonymity. However, the routing strategy also influenced other factors such as the scalability and the performance of the system. One solution is to use a fixed route for relaying all messages with many routers. If the route is not fixed the routing decision can either be made by the communication initiator or the intermediate routers. However, the existing routing types each have limitations. For example, one faces scalability issues when increasing the throughput of systems with fixed routes. Moreover, when the routing decision is left to the initiator, the initiator needs to maintain an up-to-date view of the system at all times, which also does not scale. If the routing decision is left to intermediate routers the routing of the communication can be influenced by an adversary. In this work, we propose a novel multiparty routing approach for anonymous communication that addresses these shortcomings. We distribute the routing decision and verify the correctness of routing to achieve routing integrity. More concretely, we provide a mixnet design that uses our routing approach and that in addition, addresses load balancing. We show that our system is secure against a global active adversary.

연구 동기 및 목표

• 기존 익명 통신 라우팅 모델의 확장성 및 보안 한계를 해결하기 위해 고정된 캐스케이드, 소스 라우팅, 홉별 라우팅을 포함한다.
• 통신 초기화자가 네트워크의 완전한 시각을 유지할 필요를 제거하여 시스템의 확장성을 향상시킨다.
• 홉별 라우팅에서 흔히 발생하는 경로 탈취 공격을 방지하기 위해 암호학적 다자간 계산을 사용해 라우팅 결정을 분산시킨다.
• 검증 가능한 기여 및 암호학적 셔플 출력 검증을 통해 라우팅 무결성과 정확성을 보장한다.
• 상대적 릴레이 처리 능력에 비례해 암호문을 할당하는 방식으로 라우팅 프로토콜에 로드 밸런싱을 내장한다.

제안 방법

• 프로토콜은 다자간 계산을 통해 공동으로 생성된 난수 $Rand$를 사용하여 암호학적 해시 함수 $h$를 통해 암호문 인덱스를 결정적으로 순열화한다. 충돌을 방지하기 위해 반복적 재해시를 통해 처리한다.
• 매핑 함수 $Map$은 상대적 처리 능력에 기반해 순열화된 암호문을 다음 레이어의 릴레이에 할당하여 네트워크 전반의 로드 밸런싱을 보장한다.
• 각 릴레이가 입력 및 출력 암호문에 대해 암호학적 기여를 생성하며, 이는 나중에 공개 빌리티 보드에서 열어 검증한다.
• 라우팅 검증 알고리즘은 $Rand$ 기여의 정확성을 검사하고, 순열화된 인덱스 및 레이어 처리 능력에 기반해 각 릴레이의 출력이 기대되는 암호문과 일치하는지 확인한다.
• 시스템은 증명 가능한 셔플, 임계값 복호화, 재랜덤라이징 가능한 암호화를 활용하여 종단 간 익명성과 검증 가능성을 보장한다.
• 감사자는 $Rand$ 값의 합이 전역 $Rand$와 일치하는지 확인하고, 각 릴레이가 할당된 암호문만 정확히 서명했는지 검증함으로써 라우팅 무결성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소스 라우팅의 확장성 저하 문제를 피하면서도 홉별 라우팅에 내재된 경로 탈취 공격을 방지할 수 있는 라우팅 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 라우팅 결정을 분산시켜 단일 실체가 경로를 제어하지 못하면서도, 암호학적으로 검증 가능한 라우팅 무결성을 확보할 수 있는가?
• RQ3 익명성이나 보안을 훼손하지 않고도 로드 밸런싱을 라우팅 프로토콜에 내장할 수 있는가?
• RQ4 셔플링과 라우팅이 모두 정확하고 공개적으로 검증 가능하도록 하기 위해 필요한 암호학적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 활동적 공격 및 릴레이 장애와 같은 악성 조건 하에서도 시스템이 저항력과 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 다자 라우팅 프로토콜은 공동으로 생성된 난수 값 $Rand$에 기반한 암호학적 기여를 통해 라우팅 결정을 고정시키며, 이는 공개적으로 검증 가능하다.
• 처리 능력에 비례해 암호문을 릴레이에 할당하는 처리 능력 가중 매핑 함수를 사용함으로써 시스템은 로드 밸런싱을 보장한다.
• 라우팅 결정을 분산시키고 모든 라우팅 할당에 대한 암호학적 검증을 요구함으로써 프로토콜은 경로 탈취 공격을 방지한다.
• 감사자는 기여 정확성 검증 및 각 릴레이가 할당된 암호문만 서명했는지 확인하는 부울 함수를 사용해 라우팅 검증을 수행한다.
• 검증 가능한 셔플, 임계값 복호화, 기여 기반 기반 시스템을 통해 전역적 활성 공격자에 대해 보안이 확보된다.
• 소스 라우팅에 비해 알려진 릴레이 수가 적게 필요하므로 초기화자 오버헤드가 감소하여 확장성 면에서 크게 향상된다.