[논문 리뷰] STor: Social Network based Anonymous Communication in Tor

Peng Zhou, Xiapu Luo외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 26.

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting참고 문헌 53인용 수 5

한 줄 요약

STor는 사용자의 실제 사회적 관계를 활용하여 악성 또는 해킹된 라우터를 식별하고 회피함으로써 Tor의 익명성을 향상시키기 위해 사회망 기반 신뢰 모델을 제안한다. 입력에 독립적인 퍼지 모델을 사용해 사회적 특성에서 직접 신뢰를 계산하고 친구 네트워크를 통해 신뢰를 확산시킴으로써 분산형, 확장 가능하고 안전한 회로 선택을 가능하게 하며, 신뢰 임계치를 0.035로 설정했을 때 악성 라우터 비율이 20%일 경우에도 거의 최대 수준의 익명성을 달성한다.

ABSTRACT

Anonymity networks hide user identities with the help of relayed anonymity routers. However, the state-of-the-art anonymity networks do not provide an effective trust model. As a result, users cannot circumvent malicious or vulnerable routers, thus making them susceptible to malicious router based attacks (e.g., correlation attacks). In this paper, we propose a novel social network based trust model to help anonymity networks circumvent malicious routers and obtain secure anonymity. In particular, we design an input independent fuzzy model to determine trust relationships between friends based on qualitative and quantitative social attributes, both of which can be readily obtained from existing social networks. Moreover, we design an algorithm for propagating trust over an anonymity network. We integrate these two elements in STor, a novel social network based Tor. We have implemented STor by modifying the Tor's source code and conducted experiments on PlanetLab to evaluate the effectiveness of STor. Both simulation and PlanetLab experiment results have demonstrated that STor can achieve secure anonymity by establishing trust-based circuits in a distributed way. Although the design of STor is based on Tor network, the social network based trust model can be adopted by other anonymity networks.

연구 동기 및 목표

• Tor와 같은 익명성 네트워크가 관련성 공격 및 지연 공격과 같은 악성 라우터 기반 공격에 취약한 문제를 해결하기 위해.
• 중앙 집중형 디렉터리 서버에 의존하지 않도록 분산형 신뢰 모델을 설계하여, DDoS 및 차단 공격에 취약한 점을 제거하기 위해.
• 사용자가 사회적 관계를 기반으로 신뢰할 수 있는 라우터를 선택할 수 있도록 하여 익명성의 기본 수준을 유지하면서 보안을 향상시키기 위해.
• 사용자가 전체 네트워크가 아닌 자신의 친구들에 대해서만 신뢰 정보를 유지함으로써 확장 가능한 솔루션을 개발하기 위해.
• qualitative 및 quantitative 사회적 특성을 통합된 입력에 독립적인 퍼지 프레임워크에서 동시에 처리할 수 있도록 Tor에 신뢰 모델을 통합하기 위해.

제안 방법

• qualitative 및 quantitative 사회적 특성(예: 친구 기간, 상호작용 빈도 등)을 직접 신뢰 점수로 변환하는 입력에 독립적인 퍼지 모델을 설계한다.
• 신뢰 확산 알고리즘을 사용해 친구의 친구에 대한 간접 신뢰를 계산하고, 사회망 내에서 신뢰 원환을 형성한다.
• Tor의 소스 코드를 수정하여 신뢰할 수 있는 친구가 소유한 라우터를 회로 생성 시 우선순위로 배정함으로써 신뢰 모델을 Tor에 통합한다.
• 보안과 확장성의 균형을 제어하기 위해 신뢰 임계치(ts_h)를 정의하고, 사용자의 신뢰할 수 있는 사회적 원환에 포함되지 않은 라우터를 필터링한다.
• 시스템을 PlanetLab 플랫폼에 구현하고, 다양한 공격 조건 하에서의 신뢰 기반 라우팅을 평가하기 위해 시뮬레이션을 수행한다.
• 사회망 데이터와 암호화된 온리온 라우팅을 융합한 하이브리드 접근 방식을 사용해 종단 간 익명성을 유지하면서도 신뢰도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사회망 기반 신뢰 모델이 Tor와 같은 익명성 네트워크에서 악성 또는 해킹된 라우터를 효과적으로 식별하고 제외할 수 있는가?
• RQ2 실제 사회망의 질적 및 양적 특성을 기반으로 불확실성과 모호함에 강건한 방식으로 신뢰를 정량적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ3 사회망을 통해 신뢰를 확산시킬 경우, 기본 익명성 또는 성능을 떨어뜨리지 않으면서 익명 회로의 보안을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 신뢰 임계치(ts_h)가 악성 라우터 존재 조건에서 보안적 익명성과 네트워크 확장성 간의 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 신뢰 모델이 완전히 분산된 방식으로 구현되어 중심화된 디렉터리 서버에 대한 의존도를 제거할 수 있는가?

주요 결과

• 신뢰 임계치(ts_h)를 0.035로 설정했을 때, STor는 악성 라우터 비율이 20%일 경우에도 이론적 최대 보안 익명성(R_MR ≈ 0)에 근접한 성능을 달성한다.
• 2500명의 사용자 엔티티를 가진 STor는 표준 Tor가 1600개의 라우터를 사용할 때와 유사한 기본 익명성 성능을 보이며, 이는 신뢰 기반 라우팅이 기본 익명성 수준을 떨어뜨리지 않음을 시사한다.
• 보안 익명성 지표(R_MR)는 ts_h가 증가함에 따라 감소하며, 이는 높은 신뢰 임계치가 보안을 향상시키지만 라우팅 옵션을 줄임을 의미한다.
• 신뢰 확산 알고리즘이 직접 친구를 초월해 간접 연결의 신뢰성까지 확장함으로써 사용자가 사회망 내의 간접 연결의 신뢰성을 유용하게 활용할 수 있음을 입증했다.
• 시뮬레이션 및 PlanetLab 실험 결과, STor가 분산형, 확장 가능하고 프라이버시를 보존하는 방식으로 악성 라우터 공격을 효과적으로 완화함을 확인했다.
• 사회망 기반 신뢰 모델은 다양한 유형의 사회망에서 효과적이며, Tor를 초월한 다른 익명성 네트워크로도 일반화 가능하다.