[论文解读] 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 7

一句话总结

FreeWave 是一种规避审查的系统，通过将互联网流量编码为可通过 VoIP 通道传输的可听声音信号，实现端到端加密和声学调制下的不可见通信。通过利用现有的 VoIP 基础设施（如 Skype）并经由无感知节点路由流量，FreeWave 实现了高达 19.2 kbps 的可靠数据速率——足以支持网页浏览——同时对使用 IP 阻断或深度包检测的审查者保持不可检测。

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.

研究动机与目标

• 为解决在使用 IP 阻断和深度包检测的审查制度下，规避审查系统的不可被解除性这一关键挑战。
• 设计一种无需依赖 ISP 或网络供应商合作的系统，以实现实际部署。
• 通过使用声学调制和端到端加密将流量隐藏在合法的 VoIP 会话中，实现不可见性。
• 通过在 Skype 上实现原型系统，证明其可行性，实现可用于网页浏览的可用带宽。

提出的方法

• 使用自定义 MoDem（调制解调器）将客户端的互联网流量调制为可听的声学信号，通过 VoIP 进行传输。
• 使用端到端加密，防止审查者通过深度包检测进行基于内容的检测。
• 依赖 VoIP 基础设施（如 Skype）通过无感知节点传输流量，使 IP 地址阻断失效。
• 采用迭代 Turbo 均衡与解调，结合外在 LLR 反馈，以提高在噪声信道中的信号恢复性能。
• 根据信道质量动态调整传输参数（调制星座点数 Q、符号速率 1/T、编码率 Rc），以最大化数据速率。
• 使用虚拟音频卡（VSC）将 MoDem 与 VoIP 客户端连接，实现完整的系统集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不进行网络级修改的情况下，通过 VoIP 可靠地传输声学信号中的互联网流量？
• RQ2 如何使规避审查的系统对使用 IP 阻断和深度包检测的审查者保持不可见？
• RQ3 在保持可靠性和低丢包率的前提下，通过 VoIP 使用声学调制可实现多高的数据速率？
• RQ4 是否可以使用现有的、广泛可用的 VoIP 平台（如 Skype）部署该系统，而无需特权访问或基础设施变更？
• RQ5 在不同网络条件下，调制与编码参数的动态自适应如何影响系统性能？

主要发现

• FreeWave 在芝加哥的客户端与印第安纳波利斯附近的服务器之间实现了 19.2 kbps 的可靠数据速率，足以支持网页浏览。
• 位于波兰的客户端实现了 16 kbps 的数据速率，证明了该系统在长距离 VoIP 链路上的性能表现。
• 芝加哥客户端的丢包率低至 0.01%，波兰客户端为 0.06%，表明系统具有高度可靠性。
• 误比特率（BER）性能显示，在相同信噪比（SNR）条件下，Turbo 编码传输优于传统卷积码。
• 端到端加密与声学调制的结合，使 FreeWave 连接对使用 IP 阻断或内容过滤的审查者完全不可检测。
• 在 Skype 上的原型实现证实，无需修改 ISP 基础设施或 VoIP 协议，即可部署 FreeWave。