Investigating and Improving Anonymous Communication Systems

240 Pages·2017·2.47 MB·English

ARENBERG DOCTORAL SCHOOL
Faculty of Engineering Science
Investigating and Improving
Anonymous Communication
Systems
Fatemeh Shirazi Hosseini Dokht
Supervisors: Dissertation presented in partial
Prof. dr. Claudia Diaz fulfillment of the requirements for the
Dr. Markulf Kohlweiss degree of Doctor of Engineering
Science (PhD): Electrical Engineering
July 2018

Investigating and Improving Anonymous
Communication Systems
Fatemeh SHIRAZI HOSSEINI DOKHT
Examinationcommittee: Dissertation presented in partial
Prof.dr.ir.PaulVanHoutte,chair fulfillmentoftherequirementsfor
Prof.dr.ir.YvesWillems,actingchair thedegreeofDoctorofEngineering
Prof.dr.ClaudiaDiaz,supervisor Science(PhD):ElectricalEngineer-
Dr.MarkulfKohlweiss,supervisor ing
Prof.dr.ir.BartPreneel
Prof.dr.ir.FrankPiessens
Prof.dr.CarmelaTroncoso
(EPFL)
Prof.dr.ThorstenStrufe
(TUDresden)
July2018
©2018KULeuven–FacultyofEngineeringScience
Uitgegeven in eigen beheer, Fatemeh Shirazi Hosseini Dokht, Kasteelpark Arenberg 10, bus 2452, B-3001
Leuven(Belgium)
Allerechtenvoorbehouden. Nietsuitdezeuitgavemagwordenvermenigvuldigden/ofopenbaargemaaktworden
door middel van druk, fotokopie, microfilm, elektronisch of op welke andere wijze ook zonder voorafgaande
schriftelijketoestemmingvandeuitgever.
Allrightsreserved. Nopartofthepublicationmaybereproducedinanyformbyprint,photoprint,microfilm,
electronicoranyothermeanswithoutwrittenpermissionfromthepublisher.
Acknowledgements
Firstandforemost,IwouldliketothankProf. ClaudiaDiazandProf. Markulf
KohlweissforacceptingmeastheirPhDstudent. Thankyouforgivingme
theopportunityandfreedomtoworkonsuchanexcitingresearchtopicthat
continuestofascinatemeasmuchasitdidwhenIfirstlearnedaboutit. Iwould
liketothankyouforsupportingme,guidingme,andgivingmefeedbackon
mythesiswriteup.
Iwouldalsoliketothankallmyco-authors,myPhDexaminationcommittee
members, andmycolleaguesinCOSIC.Inparticular, Iwouldliketothank
Prof. BartPreneelandPélaNoëfortheirsupportoverthelastthreeyears. I
wouldliketothankmycolleaguesSaraCleemputforhelpingmebytranslating
theabstractofmythesis,EroBalsaforourinterestingdiscussions,andRafa
GálvezandIraklisSymeonidisforourresearchcollaboration. Iwouldalsolike
tothankElenaAndreevaforourresearchcollaboration,friendship,andour
nicepaintingsessions.
Moreover,Iwouldliketothankeveryonewhohassupportedmeinthepast,to
nameafew,RenéKönig,IngerBlandfort,CiaranMullan,JohannesBraun,Prof.
MelanieVolkamer,andProf. JohannesBuchmann.
Mostimportantly,Iwouldliketothankallmydearfriendsandfamily,specially
my best friend Christine, my brothers, and my beloved parents, who by
believinginmeandbytheirpresenceinmylifegavemestrength,warmth,and
somethingtoleanonduringdifficultdays.
EndofMay2018,
FatemehShirazi
i

Abstract
Online communication is becoming more prevalent than ever. The online
world has brought many benefits to society. Users rely on the Internet for
manydailyactivitiessuchaslongdistancecommunication. Masssurveillance
isthebyproductofleavingonlinefootprints. Masssurveillancemayhavea
negativeimpactonsocietyandonusasindividuals. Whileencryptioncan
protectthecontentofonlinecommunication,theidentities/addressesofthe
communicationendpointsmightstillrevealinformationaboutthenatureof
thecommunication. Anonymouscommunicationsystemsareoneofthemain
buildingblocksinpreventingonlineidentificationandtracking.
At the core, anonymous communication is provided by hiding a user’s
communication among the communication of other users. Therefore, the
numberofusersinananonymouscommunicationsystemimpactsthedegree
ofanonymitythatthesystemcanprovide. Thismakesuserparticipationin
anonymouscommunicationsystemsvital. Toenablewideadoption,system
designersshouldensurethatanonymouscommunicationsystemsarepractical
anddeployablebyfocusingonextrapropertiessuchasscalabilityandresilience.
Inthisthesis,weinvestigateandimproveanonymouscommunicationsystems
bytakingsuchpropertiesintoaccount. Weidentifyrelevantroutingfeatures
inanonymouscommunicationsystemsanddiscussthesefeatures’impacton
scalability andresilience. We propose a metric formeasuring how resilient
anonymous communication system are, in terms of performance in the
presence of denial-of-service attacks. We use our metric on Tor, the most
commonly used anonymous communication system. We design a novel
anonymous communication system, where the routing decision is made
collectively to unburden end-users from high overhead while maintaining
routingintegrity. Oneimportantpartofimprovinganonymouscommunication
isexperimentation. Hence,weevaluateexistingexperimentationtoolsforTor
anddiscusstheiradvantagesanddisadvantages. Sinceuserparticipationis
vitalforanonymouscommunication,ourlastcontributionisauserstudythat
iii
iv ABSTRACT
investigatesthereasonsthatdetersuserstoprotectthemselvesagainstonline
identificationandtracking.
Beknopte samenvatting
Online communicatie is alomtegenwoordig. De online wereld heeft
verschillende maatschappelijke voordelen, gebruikers vertrouwen op het
Internet voor veel van hun dagelijkse activiteiten, bv. communicatie over
langeafstandenofregistraties. Hetbijproductvanonlinevoetafdrukverlaten
isechtermassa-surveillance. Massa-surveillanceheefteennegatieveimpact
op de samenleving en op ons als individuen. Hoewel encryptie de inhoud
van onze online communicatie kan beschermen, is het nog steeds modelijk
dat de identiteit van de communicatiepartners informatie vrijgeeft over de
aardvandecommunicatie. Anoniemecommunicatiesystemenzijneenvande
belangrijkstebouwstenenomonlineidentificatieentrackingtevoorkomen.
Indekernanoniemecommunicatieverstrektdoordecommunicatievaneen
gebruikertecamouflerentussendecommunicatievananderegebruikers. Het
aantal gebruikers in een anoniem communicatiesysteem heeft een impact
op de graad van anonimiteit dat het systeem kan verstrekken. Dit maakt
gebruikersparticipatieinanoniemecommunicatiesystemenvanvitaalbelang.
Ombredeacceptatiemogelijktemaken,moetensysteemontwerperservoor
zorgendatanoniemecommunicatiesystemenpraktischeninzetbaarzijndoor
tefocussenopextraeigenschappenzoalsschaalbaarheidenveerkracht.
Indezethesisonderzoekenenverbeterenweanoniemecommunicatiesystemen
rekening houdend met zulke eigenschappen. We identificeren relevante
routeringsfuncties in anonieme communicatiesystemen en bespreken de
impactvandezerouteringsfunctiesopeigenschappenzoalsschaalbaarheiden
veerkracht. We stellen een metriek voor om de veerkracht in anonieme
communicatiesystemen te meten in functie van de performantie in de
aanwezigheidvandenial-of-service-aanvallen. Wegebruikenonzemetriekop
Tor,hetmeestgebruikteanoniemecommunicatiesysteem. Wehebbeneennieuw
anoniemcommunicatiesysteemontworpen,waarbijderouteringsbeslissing
gezamenlijk wordt genomen om de eindgebruikers te ontlasten van hoge
overheadkosten, maar ook de routeringsintegriteit te garanderen. Een
v
vi BEKNOPTESAMENVATTING
belangrijkonderdeelvanhetverbeterenvananoniemecommunicatieishet
uitvoerenvanexperimenten,daaromonderzoekenwevervolgenstoolsvoor
hetuitvoerenvanexperimentenopTorenbesprekenhunvoor-ennadelen.
Omdatgebruikersparticipatieessentieelisvooranoniemecommunicatie,is
onze laatste bijdrage een gebruikersonderzoek waarin de redenen worden
onderzocht die gebruikers ervan weerhoudt zichzelf te beschermen tegen
onlineidentificatieentracking.