[论文解读] TARANET: Traffic-Analysis Resistant Anonymity at the NETwork layer

Chen Chen, Daniele E. Asoni+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2018

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 31被引用 6

一句话总结

TARANET 是一种网络层匿名系统，通过在建立阶段结合混洗技术与基于分组拆分的端到端流量整形，抵御流量分析攻击，在普通硬件上实现了超过 50 Gbps 的吞吐量，同时提供强大的匿名保证，且无需依赖高延迟协议。

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.

研究动机与目标

• 解决现有系统中性能与强匿名性之间的根本性权衡问题。
• 设计一种网络层匿名系统，能够抵御流量分析攻击，且不依赖高延迟协议。
• 实现在数据流路径上所有链路的恒定速率流量传输，防止流量模式泄露。
• 确保通过密码学手段防止数据包注入和重放攻击。
• 在保持强匿名保证的同时，实现高性能与可扩展性。

提出的方法

• TARANET 在建立阶段使用混洗技术以隐藏初始连接模式。
• 通过将流量划分为流片（flowlets）并以全局固定的恒定速率进行传输，实现端到端的流量整形。
• 每个转发节点调节其出站传输速率，以确保所有经过的链路上的流片均保持恒定速率。
• 使用分组拆分作为密码学原 primitive，使特定节点能从一个数据包生成两个有效数据包，从而在存在丢包或延迟的情况下仍能实现速率同步。
• 系统依赖端主机与中间自治系统（AS）之间协调共享密钥，以认证和保护分组拆分及传输过程。
• TARANET 利用现有网络架构（如 SCION 和 NEBULA）支持路径完整性与控制平面基础设施，用于路径分发。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在保持低延迟和高吞吐量的前提下，使网络层匿名系统具备对流量分析的强抵抗能力？
• RQ2 是否可行通过端到端协调，在数据流路径的所有链路上维持恒定速率的流量传输？
• RQ3 如何利用分组拆分安全高效地同步多个转发节点之间的传输速率？
• RQ4 在网络安全层匿名系统中集成混洗与流量整形，其性能与安全权衡如何？
• RQ5 此类系统是否可在真实网络基础设施中实现渐进式部署？

主要发现

• TARANET 在使用普通硬件的原型实现中实现了超过 50 Gbps 的吞吐量，证明了其在大规模场景下的高性能表现。
• 通过协调的流量整形，系统在所有链路上防止了流量模式泄露，实现了恒定速率传输。
• 分组拆分技术可在存在丢包或延迟的情况下，安全地实现速率同步，且不会导致重放或注入攻击。
• 即使部分节点被攻破，只要路径未被攻击者完全控制，系统的安全性仍能维持。
• TARANET 支持渐进式部署，初始阶段可在少数不共享物理链路的 ISP 间部署，随着更多 ISP 加入，性能逐步提升。
• 由于状态增长与实际带宽成线性关系（而非与流片数量成正比），系统对基于带宽的 DoS 攻击具有韧性。