Anonymous Communication

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对于 Internet 中交流的双方 ip1 和 ip2, 如果有一个 attacker snooping on the communication, 尽管它可能不知道两个用户的身份，也无法知道他们被加密的通信内容。但它起码可以使用他们的 ip

Because, for users to communicate via internet, their devices assigned with IP addresses, which are usually fixed within a communication session or more;

This can be used to infer critical privacy of users

Communication anonymity & privacy:

• who is communicating?
• who are you talking to?
• what type of activities?
• what type of information?

1) Why wanted?

Anonymity for MortalsAnonymity for Attackers

• Unmonitored access to health and medical information
• Preservation of democracy: anonymous election/jury
• Censorship circumvention: anonymous access to otherwise restricted information

Misbehaviors without getting caught: Terrorism, Darknet, Spam, Pirate…

2) how to?

通过加密（如 HTTPS）可以保护访问的内容；

But even if we don’t know what you communicated, knowing with whom you communicated leaks a lot of information as well

Thus, we can hide destination address

But here comes another question:

• According to routing, need to specify the ip address of destination to ensure packets being directed toward it,
• Then how to deliver packets to destination? \(\rightarrow\) RELAY!

Relay

• Relay (中继) 常指一种网络设备或服务，可以用于 转发 数据包或信息, 以帮助连接不同的子网或网络。
• 中继可以帮助解决网络通信中的距离限制和协议转换问题，进而扩大网络的覆盖范围和功能。
• 中继可以分为物理中继和逻辑中继两种类型。
  • 物理中继是指一种网络设备或链路，它用于将数据包从一个物理网络转发到另一个物理网络。比如，网络交换机、路由器、网关等设备。
  • 逻辑中继是指一种软件或服务，它用于将数据包从一个逻辑网络转发到另一个逻辑网络。比如，代理服务器、VPN 网关、DNS 中继等服务。

Here comes Overlay Communication

Overlay Communication

Overlay Communication

• Overlay Communication（覆盖通信）是一种在网络中添加虚拟网络层的技术，用于改进网络性能和扩展网络功能。
• 通过覆盖通信，可以在现有的网络架构上增加一个虚拟的网络层，这个虚拟层与底层网络相互独立，可以实现更高效、更安全和更灵活的通信方式。​

其中 ip3 是一个 relay node

Overlay Network

覆盖通信的主要思想是，在应用层和传输层之间添加一个 中间层，这个中间层可以通过使用不同的协议、路由和拓扑结构来优化网络通信。

在覆盖通信中，应用程序会将数据包发送到覆盖网络中，然后由覆盖网络负责将数据包传输到目标地址，从而实现更快速、更可靠的通信。

Threat Model

这里定义攻击模型：Insider Byzantine Attacker

• Insider 表示攻击者本身是网络的一部分（ASes, 攻击者可能控制不止一个 ASes）但攻击者没有能力知道整个网络 (limited view of network)
• Byzantine 表示一种攻击模式，攻击者的的攻击行为是不稳定的（长期、一致的攻击会容易被发现，因此攻击者采取间断式的、不同方式的攻击，就比较难被检测到了）

攻击者的目标是：在目的 IP 信息隐藏在数据包中的情况下，得知数据包的最终目的地。

由此提出两种攻击行为：

1. Traceforward Attack
   • passive attacker
   • traces messages from sender, thwarts receiver anonymity
   • 被动攻击者跟踪数据包信息
2. Marking Attack
   • active attacker
   • marks messages, discovers marked msg elsewhere
   • 攻击者比较厉害，可以改经过它的数据包，那可以加个标记，然后在其他地方发现就知道是发过来了

Anonyminzing Proxy

• intermediary between sender & receiver
• Sender relays all traffic through proxy
• Encrypt destination and payload
• Asymmetric technique: receiver not involved (or informed of) anonymity

k: shared key of sender and proxy

1. 如果攻击者在 sender 和 proxy 之间监听，那么 sender 丧失了匿名性
2. 如果攻击者在 proxy 和 receiver 之间监听，那么 receiver 丧失了匿名性
3. 如果有两个攻击者，一个在 sender 和 proxy 之间，一个在 proxy 和 receiver 之间，两者串通比对 ingress 和 egress 的流量，则 sender 和 receiver 都丧失了匿名性
4. 如果 proxy 本身是恶意的，那么 sender 和 receiver 都丧失了匿名性

what if receiver is attacker

需要保护发送者的匿名性

优缺点

• Advantages:
  • Easy to configure
  • Require no active participation of receiver, which need not be aware of anonymity service
  • Have been widely deployed on Internet
• Disadvantages:
  • Require trusted third party proxy may release logs, or sell them, or blackmail sender
  • Anonymity largely depends on the (likely unknown) location of attacker

How to evade attackers?

dynamic proxy location

Here comes Crowds Algorithm

• Basic idea: get lost in a crowd
• Jump from one crowd to another
• Members of a crowd called Jondos
• Algorithm:
  • Relay message to random jondo
  • With probability p, jondo forwards message to another jondo
  • With probability 1-p, jondo delivers message to its intended destination

How to evade untrusted proxies?

proxy ++

多弄一些 proxy, 用于混淆攻击者的视线

Its hard for an attacker to simultaneously control too many proxies

Other methods:

Source Routing

Abstract

• specify on-path routers by source
• allows a sender of a packet to partially or completely specify the route the packet takes through the network.
• In contrast, in conventional routing, routers in the network determine the path incrementally based on the packet’s destination

Source Routing / Path Addressing 允许发送者指定一个包的部分或者全部路由​

源路由技术中，数据包的路由路径是在数据包的头部中指定的，这意味着发送方可以选择数据包的路由路径，而不是让网络中的路由器根据它们的路由表来自动选择。

POF-based Source Routing

POF: Protocol Oblivious Forwarding

传统的网络协议中，router 需要根据特定的协议来解析数据包的头部，然后根据协议的规则来转发数据包。而 POF 采用了新的转发机制（从数据包的源头开始指定全部或部分路由），即不需要了解任何特定协议，只需要根据指定路径进行转发。

新的问题解决策略

匿名性问题：泄漏了 port sequence

隐藏非 neighbor 的 port sequence

为了隐藏非 neighbor 的 port sequence， 可以使用 Onion Routing

Onion Routing

Use onion router called Tor

requestreply

在洋葱网络中，信息被封装在加密层。

• 类似于洋葱一样，加密数据通过一系列 “Tor node” 路由器节点传输，每个节点只能解密一层，然后将数据传递给下一个节点。
• 当最后一个节点解密数据时，它将数据传递给目标地址，这样就实现了端到端的匿名通信。
• 由此，sender 保持了匿名性， receiver 也保持了匿名性。每个中继节点只知道紧邻的节点

source-routing based anonymous overlay communication

1. 向 directory node 获取节点列表，随机选择节点形成一条 chain
2. 从 directory node 获取公钥，与 A (Tor entry) 协商密钥;
   1. A 与下一节点 B 协商密钥
   2. …
   3. 最后节点 (假如是 C) 与目标地址 (D) 协商密钥，建立整条链的连接
3. 发送 \(\{\{\{\{\text{msg}\}_D ~, D\}_C ~, C\}_B ~, B\}_A\), 这样逐层解密才能发送到目标地址
4. reply 的时候使用同一条反向即可

解密出的数据除了信息外，还包括要 forward 的下一跳地址

application: Darknet

• Portions of the Internet purposefully not open to public view or hidden networks whose architecture is superimposed on that of Internet.
• Install Tor
• Access darknet.onion through it

how to deanonymize?

有四种思考策略：

1. tor nodes 互相串通
2. 强行破解密钥
3. Passive monitoring
4. Active attraction:
   • deploy a Tor router;
   • attract Tor traffic;
   • perform traffic analysis and correlation;

Path Selection Attack

• Tor path selection algorithm:
  • weight nodes by selfreported bandwidth; | 通过自报带宽来对节点加权
  • select each node using weighted | 使用权重选择每个节点
  • probability distribution; | 概率分布
• Attack:
  • malicious relay reports very high bw to increase selection probability; | 恶意中继节点虚报非常高的带宽以增加被选中概率
  • if it controls the first hop, de-sender; | 如果控制了第一个 hop, 则 sender 丧失匿名性
  • if it controls the last hop, de-receiver; | 如果控制了最后一个 hop, 则 receiver 丧失匿名性

Counting Attack

• Correlate incoming and outgoing flows by counting the number of packets | 通过计算数据包的数量来对入站和出站流量进行关联

在检测时间段，有可能有之前停留在其中的 packert, 所以 dest 会多一些也可能有些正在 process, 所以 dest 会少一些

• 一种抵御策略是：将流量较小的进行扩大，将流量较大的进行缩小，使得流量差异变小
• 但攻击者仍然可以通过采样包之间的时间间隔来进行分析

Low Latency Attack

• Tor router assigns each anonymous circuit its own queue | Tor 路由器为每个匿名电路分配一个队列
• Dequeue one packet from each queue in round-robin fashion | 以轮询方式从每个队列中出队一个数据包

节点越多，队列越长，轮询时间越长，延迟越大。

Attack Example

• A 要攻击 Init, intends to infer Init’s activity
• 假设只有 Init 和 A 一起在占用 T2
• 那么 A 循环给 T2 发包并测试延迟，如果延迟变大，则说明 Init Traffic，即 Init 在活动

Cross Site Attack

Crawling:

• Deploy Tor routers
• Access darknet
• Crawl transaction information
• Extract Bitcoin accounts of interest

Correlation:

• Search the accounts on public websites

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