Snake: a privacy-aware online social network providing anonymity of outsourced data at rest

154 Pages·2013·1.74 MB·English

Politecnico di Milano
Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica
Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria
Snake
: a privacy-aware online social network
providing anonymity of outsourced data at rest
Relatore: Prof. Gerardo PELOSI
Correlatore: Ing. Alessandro BARENGHI
Tesi di laurea di:
Michele BERETTA Matr. 782936
Alessandro DI FEDERICO Matr. 780708
Anno Accademico 2012–2013

To those who made this possible

Acknowledgments
First of all, we would like to thank our advisor, professor Gerardo Pelosi,
who gave us the possibility to work on this fascinating project, following and
giving us precious hints.
A special thanks goes to our co-advisor, Alessandro Barenghi, for his
remarkable competence, endless passion and his help, given so generously.
Finally, we thank the POuL association, there we met many people with
whom we shared a lot.
I, Michele Beretta, wish to thank my mother, my father and my sister for
their everlasting love and support. Another thanks goes to friends with whom
I shared most of these five years at polimi, I am truly grateful for the beautiful
moments we spent together.
I,AlessandroDiFederico, wishtothankChiara, forthetendernessandthe
support she gave me during all these years. Ti amo. I also wish to thank my
family, and in particular my mother: it is thanks to her if I am here. A special
thank goes also to my good friends, such as Fabio and Lorenzo, for their deep
friendship which emerges in unexpected moments. Finally, I would like to give
special thanks all the hackers around the world, and in particular at POuL,
who lead me to realize this project, in particular Radu, Daniele, Stefano and
Michele.

Abstract
The usage of Online Social Networks (OSNs) is increasing day-to-day,
reaching a user base unparalleled by previous online communication systems.
However, the impressive amount of sensitive information stored on them intro-
duces serious risks for the privacy of their users.
In this work, we aim to design an end-to-end encrypted OSN which al-
lows easy one-to-one and many-to-many communication. The system should
not require any knowledge about the underlying cryptosystem and scale in
the number of users. The OSN client should also protect the metadata of
communication, such as the social graph.
To achieve these objectives, we designed Snake, an HTML5 in-browser
application interacting with a dumb storage server. We use the state of the
art protocol for authenticated key agreement, FHMQV, and provide two ways
to authenticate public keys in-band: the Socialist Millionaire Protocol and a
form of Web of Trust. Many-to-many communication is designed to handle
dynamic groups in a scalable way. Thanks to a key graph system we are able
to maintain a logarithmic cost to update the group key.
We also define policies for an honest storage server to protect communica-
tion metadata. In particular, we identify what are the essential information
that must be stored in an intelligible form, for the storage server to be able
to offer the service without major performance drops. With this approach we
are able to leave almost no useful information for an attacker when the data is
at rest. Finally, we evaluate the user experience, the system performance and
the overall overhead for the end user.

Sommario
Gli OSN stanno acquistando una sempre maggiore popolarità. Tuttavia,
l’enorme quantità di informazioni sensibili salvata su di essi introduce seri
problemi di privacy per l’utente finale.
In questa tesi, il nostro obiettivo è progettare un OSN in cui i dati sono
crittografati end-to-end e che permetta una semplice comunicazione tra sin-
goli utenti e in gruppo. Il sistema non deve richiedere alcuna conoscenza a
riguardo il sistema crittografico sottostante e deve scalare in presenza di un
elevato numero di utenti. Il sistema deve anche occuparsi di proteggere le
meta-informazioni della comunicazione, e in particolare il grafo delle relazioni
tra gli utenti.
Per raggiungere questi obiettivi, abbiamo progettato Snake, un’applica-
zione HTML5 in-browser che interagisce con un dumb server. Per lo scambio
chiavi abbiamo utilizzato lo stato dell’arte, l’algoritmo FHMQV. Per l’auten-
ticazione delle chiavi pubbliche abbiamo introdotto due opzioni: il protocollo
del socialista milionario e una forma di Web of Trust. Lo scambio di messaggi
all’interno di un gruppo è stata progettata per poter gestire gruppi dinamici in
maniera scalabile. Infatti, grazie ad un sistema basato su un key graph, siamo
in grado di mantenere un costo logaritmico per l’aggiornamento della chiave
di gruppo.
Abbiamo definito una serie di politiche per un server onesto che intenda
proteggere le meta-informazioni delle comunicazioni. In particolare, abbiamo
identificato quali sono le informazioni essenziali da immagazzinare in maniera
comprensibiledalserverperfarsìcheilserviziofunzionisenzaeccessiveperdite
di prestazioni. Con questo approccio siamo stati in grado di non lasciare quasi
alcuna informazione utile ad un attaccante che abbia accesso ai dati in condi-
zione di riposo. Infine, abbiamo valutato l’esperienza utente, le prestazioni del
sistema e il ritardo aggiuntivo introdotto per l’utilizzatore finale.