[論文レビュー] IP over Voice-over-IP for censorship circumvention

Amir Houmansadr, Thomas Riedl+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2012

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 16被引用数 7

ひとこと要約

FreeWaveは、VoIPチャネルを介して音声信号に変換されたインターネットトラフィックを送信することで、検閲回避を実現するシステムである。エンドツーエンド暗号化と音響変調を用いることで、IPブロッキングやディープパケットインスペクション（DPI）による検出を回避する。Skypeなどの既存のVoIPインfrastrucureを活用し、無関心ノードを経由することで、最大19.2 kbpsの信頼性の高いデータレートを達成し、Webブラウジングに十分な性能を発揮する。

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.

研究の動機と目的

• IPブロッキングやディープパケットインスペクション（DPI）を用いる検閲体制下でも、検閲回避システムの「ブロッキング不能性」を実現するという重要な課題に取り組むこと。
• ISP やネットワークベンダーの協力が不要なシステムを設計することで、実用的な展開を可能にすること。
• 音響変調とエンドツーエンド暗号化を用いて、正当なVoIPセッション内にトラフィックを隠すことで、監視当局による観察不能性（unobservability）を達成すること。
• Skypeを用いたプロトタイプ実装を通じて、Webブラウジングに十分な使用可能な帯域幅を達成するという実現可能性を示すこと。

提案手法

• クライアントのインターネットトラフィックを、VoIPチャネルを介して送信可能な音声信号に変換する独自のモーダム（変調・復調装置）を用いて音響変調を行う。
• 検閲当局によるコンテンツベースの検出を防ぐために、エンドツーエンド暗号化を採用する。
• SkypeなどのVoIPインfrastrucureを活用し、無関心ノードを経由することで、IPアドレスブロッキングが無効化される。
• ノイズの多いチャネルにおける信号復元を向上させるために、反復的トゥーリー均衡化と外挿尤度比（extrinsic LLR）フィードバックを用いる。
• チャネル品質に応じて、変調パラメータ（ストレルサイズQ、シンボルレート1/T、コードレートRc）を動的に調整し、データレートを最大化する。
• モーダムとVoIPクライントを接続するための仮想オーディオカード（VSC）を用い、システム全体の統合を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットワークレベルの変更を要せず、音声信号を介してVoIPチャネルでインターネットトラフィックを信頼性を持って送信できるか？
• RQ2 IPブロッキングやディープパケットインスペクション（DPI）を用いる検閲当局からも検出されない、検閲回避システムをどのように実現できるか？
• RQ3 音響変調をVoIPで用いる場合、信頼性と低パケットロスを維持しつつ、どの程度のデータレートを達成できるか？
• RQ4 Skypeのような既存で広く利用可能なVoIPプラットフォームを用いて、特権アクセスやインfrastrucure変更なしにシステムを展開できるか？
• RQ5 変調およびコード化パラメータの動的適応が、変化するネットワーク条件下での性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• シカゴにいるクライアントとインディアナポリス付近のサーバー間で、19.2 kbpsの信頼性の高いデータレートを達成し、Webブラウジングに十分な性能を発揮した。
• ポーランドにいるクライアントでも16 kbpsのデータレートを達成し、長距離のVoIP接続でも性能が維持されることを示した。
• シカゴのクライアントでは0.01%、ポーランドのクライアントでは0.06%という極めて低いパケットロス率を維持しており、高い信頼性を示した。
• ビットエラーレート（BER）の性能評価から、同じSNR条件下でトゥーリー符号化された送信が、従来の畳み込み符号化よりも優れた性能を示した。
• エンドツーエンド暗号化と音響変調の併用により、IPブロッキングやコンテンツフィルタリングを用いる検閲当局からも、FreeWave接続は検出不能であった。
• Skypeを用いたプロトタイプ実装により、ISPインfrastrucureやVoIPプロトコルの変更なしにFreeWaveを展開できることが確認された。