[논문 리뷰] TARANET: Traffic-Analysis Resistant Anonymity at the NETwork layer

Chen Chen, Daniele E. Asoni외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 23.

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting참고 문헌 31인용 수 6

한 줄 요약

TARANET은 설정 단계에서 혼합을 결합하고 패킷 분할을 통한 엔드 투 엔드 트래픽 형태 조절을 통해 트래픽 분석에 저항하는 네트워크 계층 익명성 시스템으로, 고성능을 실현하면서도 고지연 프로토콜에 의존하지 않아도 되는 강력한 익명성 보장을 제공한다. 일반 하드웨어에서 50 Gbps 이상의 처리량을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 시스템에서 성능과 강력한 익명성 간의 근본적 상충 관계를 해결하기 위해.
• 고지연 프로토콜에 의존하지 않고 트래픽 분석에 저항하는 네트워크 계층 익명성 시스템을 설계하기 위해.
• 흐름 경로의 모든 링크를 통해 일정 속도로 트래픽 전송을 보장하여 트래픽 패턴 泄露를 방지하기 위해.
• 패킷 주입 및 재생 공격이 암호학적으로 방지되도록 보장하기 위해.
• 강력한 익명성 보장을 유지하면서도 높은 성능과 확장성을 확보하기 위해.

제안 방법

• TARANET은 초기 연결 패턴을 은폐하기 위해 설정 단계에서 혼합을 사용한다.
• 흐름을 흐름 조각으로 나누어 전역적으로 고정된 일정한 속도로 전송함으로써 엔드 투 엔드 트래픽 형태 조절을 구현한다.
• 각 전달 노드는 통과하는 모든 링크를 통해 일정 속도의 흐름 조각을 유지하도록 외부 전송 속도를 조절한다.
• 패킷 분할은 특정 노드에서 한 개의 패킷으로부터 두 개의 유효한 패킷을 생성하는 암호학적 원리로, 손실이나 지연이 발생하더라도 속도 동기화를 가능하게 한다.
• 엔드 호스트와 중간 AS 간의 협력적 키 공유를 통해 패킷 분할 및 전송의 인증과 보안을 확보한다.
• 경로 무결성과 경로 배포를 위한 제어 평면 인fra를 지원하는 기존 네트워크 아키텍처인 SCION과 NEBULA를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네트워크 계층 익명성 시스템이 낮은 지연과 높은 처리량을 유지하면서도 트래픽 분석에 강력하게 저항할 수 있는가?
• RQ2 엔드 투 엔드 조율을 통해 흐름 경로의 모든 링크에서 일정 속도의 트래픽 전송을 유지하는 것이 가능한가?
• RQ3 패킷 분할을 어떻게 사용하여 다수의 전달 노드 간에 안전하고 효율적인 속도 동기화를 달성할 수 있는가?
• RQ4 네트워크 계층 익명성 시스템에 혼합과 트래픽 형태 조절을 통합할 경우의 성능 및 보안 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 이러한 시스템은 실제 네트워크 인fra에서 점진적으로 구현 가능한가?

주요 결과

• TARANET은 일반 하드웨어를 사용한 프로토타입 구현에서 50 Gbps 이상의 처리량을 달성하여 대규모에서의 고성능을 입증한다.
• 협력적 트래픽 형태 조절을 통해 모든 링크에서 트래픽 패턴 泄露를 방지한다.
• 패킷 분할은 손실이나 지연이 발생하더라도 재생 또는 주입 공격을 허용하지 않으며, 안전한 속도 동기화를 가능하게 한다.
• 경로가 적대자에 의해 완전히 제어되지 않는 한, 시스템의 보안은 손상되지 않는다.
• TARANET은 점진적 배포가 가능하여, 초기에 물리적 링크를 공유하지 않는 몇몇 ISP에서 구현할 수 있으며, 더 많은 ISP가 참여할수록 성능이 향상된다.
• 실제 대역폭에 비례하는 선형적 상태 증가 특성 덕분에 대역폭 기반 DoS 공격에 강건하다.