[论文解读] Multiparty Routing: Secure Routing for Mixnets

Fatemeh Shirazi, Elena Andreeva+2 more|Lirias (KU Leuven)|Aug 10, 2017

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 25被引用 3

一句话总结

本文提出了一种名为多参与方路由（MPR）的新颖安全路由协议，用于混洗网络（mixnets），通过使用多方计算（MPC）来去中心化路由决策，从而防止路径劫持攻击，同时保持可扩展性。通过分布式路由决策并利用密码学承诺和可验证洗牌来验证正确性，MPR 确保了路由完整性、负载均衡，并能抵抗全局主动攻击者，为传统源路由或逐跳路由提供了一种可扩展且安全的替代方案。

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.

研究动机与目标

• 为解决现有匿名通信路由模型在可扩展性和安全性方面的局限性，包括固定级联、源路由和逐跳路由。
• 消除通信发起者必须维护完整网络视图的需求，从而提升系统可扩展性。
• 通过使用密码学多方计算去中心化路由决策，防止逐跳路由中常见的路径劫持攻击。
• 通过可验证承诺和对洗牌输出的密码学验证，确保路由的完整性和正确性。
• 通过根据中继吞吐量按比例分配密文，将负载均衡原生集成到路由协议中。

提出的方法

• 协议使用多方计算联合生成的随机数 $Rand$，通过密码学哈希函数 $h$ 确定性地置换密文索引，通过迭代重哈希避免冲突。
• 映射函数 $Map$ 根据中继的相对吞吐量，将置换后的密文分配给下一层的中继，确保网络中的负载均衡。
• 每个中继使用密码学承诺对其输入和输出密文进行承诺，之后在公共公告板上打开并验证。
• 路由验证算法检查 $Rand$ 承诺的正确性，并确保每个中继的输出与基于置换索引和层级吞吐量的预期密文一致。
• 系统采用可证明洗牌、门限解密和可重随机化加密，以确保端到端匿名性和可验证性。
• 审计员通过确认各独立 $Rand$ 值之和等于全局 $Rand$，并验证每个中继仅对其分配的密文进行正确签名，来验证路由完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种路由协议，避免源路由的可扩展性瓶颈，同时防止逐跳路由固有的路径劫持攻击？
• RQ2 如何实现路由决策的去中心化，使得没有任何单一实体控制路径，同时确保路由完整性可通过密码学手段验证？
• RQ3 能否将负载均衡原生集成到路由协议中，而不损害匿名性或安全性？
• RQ4 需要哪些密码学机制来确保洗牌和路由均正确且可公开验证？
• RQ5 系统在对抗性条件下（包括主动攻击和中继故障）如何保持韧性与性能？

主要发现

• 所提出的多参与方路由协议通过将路由决策与联合生成的随机值 $Rand$ 密码学绑定，实现了路由完整性，且该 $Rand$ 值可公开验证。
• 系统通过使用吞吐量加权的映射函数，按中继吞吐量比例将密文分配给中继，确保了负载均衡。
• 协议通过去中心化路由决策并要求对所有路由分配进行密码学验证，防止了路径劫持攻击。
• 路由验证由审计员通过布尔函数执行，检查承诺的正确性，并确保每个中继仅对其分配的密文进行签名。
• 系统对全局主动攻击者具有安全性，这通过使用可验证洗牌、门限解密和承诺方案得到证明。
• 协议通过仅需少量已知中继，显著降低了发起者的开销，相比源路由大幅提升了可扩展性。