Anonymous and Untraceable Communications in Mobile Wireless Networks

211 Pages·2012·1.01 MB·English

UNIVERSITY OF CALIFORNIA
LosAngeles
Anonymous and Untraceable Communications
in Mobile Wireless Networks
Adissertationsubmittedin partialsatisfaction
ofthe requirementsforthe degree
DoctorofPhilosophyin ComputerScience
by
Jiejun Kong
2004
(cid:0)c Copyrightby
JiejunKong
2004
ThedissertationofJiejunKongisapproved.
SongwuLu
JackW.Carlyle
RajitGadh
Mario Gerla,CommitteeChair
UniversityofCalifornia,Los Angeles
2004
ii
Tomyparentswhohavemadethispossible
andalsotoallthepeoplewhohavehelpedorencouragedme
iii
TABLE OF CONTENTS
1 Introduction 1
(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)
2 Problem definition 8
(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)
2.1 Existinganonymitynomenclaturein fixednetworks . . . . . . . . . . 8
2.2 Problemstudy: perfectanonymity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Problemstudy: anonymityin mobilenetworks . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Mobileanonymity: theformal notion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Adversary Model 22
(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)
3.1 Threatsto mobilewireless networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Adversarymodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.1 Passiveadversarymodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.2 Activeadversarymodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Routingattacksbasedonadversarymodel . . . . . . . . . . . . . . . 26
4 Anonymous RoutingAttacks 29
(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)
4.1 Newanonymitythreatsin mobilewireless networks . . . . . . . . . . 29
4.1.1 Differentiation between identity anonymity and venue ano-
nymity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.1.2 Privacyofnetworktopology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1.3 Privacyoflocationandmotionpattern . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.4 Privacyofcommunicationpattern . . . . . . . . . . . . . . . 35
iv
4.2 Vulnerabilityofexistingon-demandroutingschemes . . . . . . . . . 37
4.3 Potentialsolution: per-hop encryption . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4 CumulativeH-cliqueattack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5 Illustrationthroughsimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5 Anonymous DataForwarding 47
(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)
5.1 Computationallyanonymoussingle-hopforwardingscheme . . . . . 48
5.1.1 Why not use current 802.11 forwarding scheme and simply
encryptentire802.11frame? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.1.2 Ourscheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.3 Routepseudonymcollision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.1.4 Hidingcommunicationpatterns: Routepseudonymupdateus-
ing CSPRG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2 Computationallysecure single-hopforwarding schemewith
asymmetricanonymitysupport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6 Anonymous RoutingResilienttoPassiveAttacks 56
(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)
6.1 TIBA& TIMBA:towardsscalablemulti-hopanonymitymodel . . . . 57
6.1.1 TIBA: aone-hopideal modelforreferencepurpose only . . . 59
6.1.2 -TIMBA:amulti-hopideal modelbasedonhypercube . . . 62
(cid:0)
6.1.3 StandardTIMBAforbi-directionaltrafficindynamicnetworks 67
6.2 Letwireless broadcasthelp anonymity . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
v
6.3 ANODR:practicalanonymousroutingformulti-hopwirelessnetworks 87
6.3.1 Practical networkassumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3.2 Design rationales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3.3 Design detailsof“anonymous-onlyANODR” . . . . . . . . . 91
6.3.4 Design detailsof“anonymous+untraceableANODR”and
“anonymous+untraceableANODR-KPS” . . . . . . . . . . . 95
6.3.5 Discussionsforall ANODRvariants . . . . . . . . . . . . . . 99
6.4 Evaluationofcryptographicimplementation . . . . . . . . . . . . . . 102
6.5 SimulationstudyofANODR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.5.1 Simulation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.5.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7 Anonymous RoutingResilienttoActiveAttacks 116
(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)
7.1 Idealmodelsagainstactiveattacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2 Theconceptof“partial-trustcommunity” . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.3 Networkassumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.4 Designprinciples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.5 Community-basedcommunication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.5.1 Communityconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.5.2 Communitycreationandmaintenance . . . . . . . . . . . . . 128
7.5.3 Dataforwarding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.5.4 Attacks againstcommunitymaintenance. . . . . . . . . . . . 130
vi
7.6 Moreprotocolattacksandcountermeasures . . . . . . . . . . . . . . 133
7.6.1 Repeaterattack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.6.2 Wormholeandphysicallayerattacks. . . . . . . . . . . . . . 133
7.6.3 Replay attack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.6.4 Enforce end-to-endcommunication . . . . . . . . . . . . . . 137
7.7 Acommunity-basedkey managementprotocol . . . . . . . . . . . . 138
7.7.1 Distributedkeyselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.7.2 Shared keydiscovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.7.3 Attacks againstcommunity-basedkeymanagement . . . . . . 147
7.8 Applyingcommunity-basedcommunicationin adhocroutingprotocols 148
7.8.1 Community-basedAODV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.8.2 Community-basedANODR . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.9 Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.10 EvaluationofCommunity-basedrobustrouting . . . . . . . . . . . . 153
7.10.1 Simulation Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.10.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8 Related work 165
(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)
8.1 Anonymityresearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.2 Securityinmobileadhocnetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
9 Summary andfuture work 173
(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)
vii
A Underlying cryptography 176
(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)
A.1 Probabilisticcomputationmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
A.2 Blom’sKeyPre-distributionScheme(KPS) . . . . . . . . . . . . . . 182
References 184
(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:3)(cid:0)(cid:1)(cid:0)(cid:2)(cid:0)(cid:1)(cid:0)
viii
LIST OF FIGURES
(cid:0)(cid:2)(cid:1)(cid:4)(cid:3)(cid:6)(cid:5)(cid:8)(cid:7)(cid:10)(cid:9)(cid:12)(cid:11)(cid:14)(cid:13)(cid:12)(cid:15)(cid:17)(cid:16)(cid:18)(cid:19)(cid:11)(cid:21)(cid:20)
2.1 Perfectcipher (keysare denotedasnumbers) . . . . 10
2.2 LatinSquare representation ofFig.2.1 . . . . . . . . . . . . . . . 10
(cid:1)(cid:8)(cid:23)(cid:24)(cid:15)(cid:26)(cid:25) (cid:1)(cid:27)(cid:23)(cid:29)(cid:28)(cid:31)(cid:30) (cid:15)
2.3 Another statement of perfect cipher: (cid:22) (cid:22) (cipher-
textsare denotedasnumbers) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
(cid:25)#"
2.4 Perfect anonymity when ! (End-to-end connection events are
denotedasnumbers) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5 Perfectsenderanonymity: synchronized senders&real eventsin-
distinguishablefrom dummy/decoyevents(usingan explicitrecipi-
ent $(cid:14)% inexample) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.6 Perfect recipient anonymity: broadcast to all recipients & real
events indistinguishable from dummy/decoy events (using an ex-
plicitsender &(’ inexample) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.7 Anend-to-endconnectionevent inasimple peer-to-peer network . 15
2.8 Identityanonymityvs. venueanonymityinmobilenetworks(Traf-
ficanalystsaredepictedassolidblacknodes. Identifiedactiverouting
areasare depictedin shade.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.1 Motion pattern inference attacks (left: target movement; right: for-
warding node movement. Passive internal adversary is depicted as a
solid black node in an H-clique. Triangle nodes are the adversary’s
one-hop neighbors. They are network members but not necessarily
adversarial) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2 Identifyingone-hopneighbors’relativepositions . . . . . . . . . . 41
ix