[论文解读] Tor is not enough: Coercion in Remote Electronic Voting Systems

Christian Meter, Alexander Schneider+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2017

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 10被引用 3

一句话总结

本文表明，像Tor这样的低延迟匿名网络不足以确保远程电子投票系统中的免胁迫性。通过利用保持延迟的流量模式，拥有ISP骨干网络访问权限的攻击者可以关联选民流量，确定特定选民是否参与了选举，从而在经过匿名化处理后仍破坏免胁迫性。

ABSTRACT

Current electronic voting systems require an anonymous channel during the voting phase to prevent coercion. Typically, low-latency anonymization-networks like Tor are used for this purpose. In this paper we devise a monitoring attack that allows an attacker to monitor whether participants of an election voted, despite the use of a low-latency network during the voting phase, thereby breaking an important part of coercion-freeness. We implement a simulation carrying out our attack and measure its success rates.

研究动机与目标

• 调查像Tor这样的低延迟匿名网络是否能有效保护远程电子投票系统免受胁迫。
• 分析基于相关性的流量监控攻击在利用匿名化投票流量中的时间间隔和流量大小模式方面的可行性。
• 使用仿真和真实网络数据评估此类攻击在现实世界中的实际可行性。
• 挑战现有电子投票系统依赖Tor即为免胁迫性的假设，尤其是在高监控环境下的适用性。
• 提出低延迟网络的替代方案，以实现在电子投票中可靠的匿名性。

提出的方法

• 设计一种网络监控攻击模型，其中攻击者控制ISP骨干网络，并观察使用Tor的选民的流量。
• 实现一个离散事件网络仿真器，以模拟真实世界的投票流量和攻击者相关性技术。
• 通过分析报文间时间间隔和流量大小的模式，将客户端投票活动与服务器端选票提交进行关联。
• 使用真实世界的网页浏览和投票流量记录模拟攻击，以评估在真实条件下的检测准确性。
• 评估在不同网络条件和流量模式下，该攻击的成功率。
• 比较低延迟网络（如Tor）与高延迟替代方案（如Nonesuch、Mixminion）在电子投票匿名性方面的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 拥有ISP级别可见性的攻击者能否通过流量相关性攻击，在Tor保护的远程电子投票系统中实现对选民的去匿名化？
• RQ2 像Tor这样的低延迟网络保持延迟的特性在多大程度上使相关性攻击成为可能，从而破坏免胁迫性？
• RQ3 基于模式的流量监控攻击在端到端加密和Tor匿名化保护下，识别选民参与行为的有效性如何？
• RQ4 在大规模电子选举中，使用低延迟匿名网络确保免胁迫性的实际限制是什么？
• RQ5 高延迟匿名网络是否可作为保护远程电子投票系统的Tor的可行替代方案？

主要发现

• 仿真结果表明，即使使用Tor，拥有ISP骨干网络访问权限的攻击者也能以高度准确性成功关联选民流量与选票提交。
• 当攻击者监控足够多的选民并观察到报文传输中一致的时间间隔模式时，相关性攻击的成功率显著提高。
• 当攻击者具备广泛的网络可见性并能利用时间间隔和流量大小模式时，使用像Tor这样的低延迟网络并不能防止通过流量分析实现的去匿名化。
• 在流量流中添加随机噪声或虚假数据包并不能可靠地阻止此类攻击，因为模式匹配算法仍能检测并适应此类混淆手段。
• 由于其固有的延迟和隐写特性，高延迟匿名网络（如Nonesuch或Mixminion）对这类相关性攻击更具鲁棒性。
• 目前仅依赖Tor实现匿名性的远程电子投票系统并非免胁迫的，因此不适合用于总统选举等高风险选举。