Современные информационные технологии. Информационная безопасность

Мелешко Е.А., Федоренко О.М.

Национальный авиационный университет (НАУ), Украина

Уязвимости анонимных сетей на примере timing-атак

Впервые анонимные системы связи были представлены в основополагающей работе Чаума (Chaum 1981). ИНтеСуть в том, что анонимность достигается путем пересылки сообщений через серию передаточных узлов, называемых mix-узлами (перемешивающие узлы). Каждый mix-узел выполняет две основные задачи. Первая — это обеспечить побитовую неразличимость (bitwise unlinkability) сообщений, вторая — перемешать поток сообщений.

Чтобы на выходе из узла нападающий не смог идентифицировать отслеживаемое сообщение по его содержимому, все входящие сообщения приводятся к одному размеру (короткие сообщения дополняются случайными данными) и шифруются. Это и есть “обеспечить побитовую неразличимость”.

Перемешивание потока сообщений используется для того, чтобы нападающий не мог сопоставить время входа сообщения в узел со временем его выхода, и таким образом понять какое именно исходящее сообщение соответствует искомому. Узел некоторое время накапливает входящие сообщения, перемешивает их и отправляет дальше в случайном порядке.

Системы анонимной связи через интернет можно разделить на две категории:

· системы с большими задержками (high-latency systems);

· системы с малыми задержками (low-latency systems).

Например электронная почта (e-mail) — это система с большими задержками, т.к. для доставки сообщения может потребоваться много времени. Если же требуется взаимодействие в режиме реального времени (или близкое к этому) нужно использовать системы с малыми задержками. SSH и мессенджер – примеры систем с малыми задержками. Неотслеживаемость сообщений в системах обоих категорий достигается за счет реализации идей Чаума: цепочки передачтоных узлов между отправителем и получателем, и шифрования, скрывающего данные сообщения. Каждый узел в цепи знает только своего предшественника, от кого он получил сообщение, и своего преемника, которому он передаст сообщение.

Системы с большими задержками специализируются на пересылке одиночных сообщений, а системы с малыми задержками на поддержании соединения. Это означает, что в системах с большими задержками для каждого сообщения создается свой новый путь, новое сообщение — новый путь. А в системах с малыми задержками один путь используется в течении некоторого времени для пересылки целого потока пакетов.

Есть еще одно существенное отличие систем с малыми задержками. Чтобы соответствовать жестким требованиям к времени доставки сообщений, приходится отказываться от фазы накопления и перемешивания сообщений. Следовательно, такие системы более уязвимы к атакам анализа трафика и в частности timing-атакам. Простые timing-атаки могут сводиться к вычислению времени которое требуется пакету чтобы пройти сеть. Более сложные timing-атаки могут включать анализ отличительных особенностей используемого жертвой соединения — выявление паттерна трафика (В контексте timing-атак, это характерная форма «всплеска» активности на графике «объём трафика от времени», которая может дать возможность различать пользователей или виды активности в сети).

Timing-атаки используют тот факт, что все узлы сети вводят различные задержки. Зная время задержек можно строить догадки о связи входящих в узел и исходящих из него потоков. Другими словами угадать, какой исходящий поток соответствует отслеживаемому входящему потоку. Нападающий может некоторое время наблюдать за связями между узлами, а затем, сравнивая паттерны трафика всех узлов, выявить узлы с похожими паттернами — вероятно эти узлы образуют цепочку. Используя статистические методы нападающий может получить информацию об отправителе и получателе потока, и даже выявить весь путь потока. Для защиты от этой атаки нужно сделать так, чтобы временные характеристики всех потоков были неразличимы. Однако, для этого потребуется значительное количество операций смешивания (при смешивании (только как простейший пример) можно все цепочки от сервера X до сервера Y ещё раз зашифровать и упаковать в общий шифрованный канал и непонятно будет: вошло n, а сколько на какой сервер вышло — не видно. От пользователей до серверов идут индивидуальные цепочки, а между серверами — сплошной поток) и большой объем покрывающего трафика (cover traffic - генерируемый передаточными узлами фальшивый трафик, имеющий специальную отметку, благодаря которой другие узлы могут отличить его от реального трафика), следовательно увеличится время задержек. Определить правильный баланс между анонимностью и задержками — задача не из легких.

Для успешного проведения вышеупомянутой атаки нужен глобальный наблюдатель, способный наблюдать за всеми потоками проходящими через сеть. Считается, что анонимизирующие сети с малыми задержками, такие как Tor, могут успешно противостоять более слабой модели угроз, не включающей глобального наблюдателя. В этой более слабой модели, нападающий может видеть только часть связей.

Недавно, Мёрдоч (Murdoch) и Данезис (Danezis) показали пример успешной атаки на системы с малыми задержками без использования глобального наблюдателя. Атака основана на анализе трафика предложенном Данезисом в 2004. В их атаке анонимность, которую обеспечивает Tor, может нарушить злоумышленник который видит только часть сети или владеет одним узлом Tor. Атака работает из-за того, что разработчики Tor удалили операцию смешивания, которая была в ранней версии, и теперь входящая очередь потоков обрабатывается в режиме round robin fashion⁴. Подконтрольный злоумышленнику Tor-узел создает соединения с другими узлами сети и таким образом может косвенно оценить объем проходящего через них трафика в каждый момент времени. Оценки строятся на основе разности в задержках потоков отправляемых и получаемых по этим соединениям.

Исходя из того, что

· объем трафика проходящего через каждый Tor-узел, или другими словами нагрузка на Tor-узел, складывается из нагрузок всех соединений установленных с данным узлом

· и нападающему удалось оценить эти суммарные нагрузки для всех узлов, в каждый момент времени
нападающий может сделать достаточно хорошее предположение о маршрутах прохождения потоков.

Такая атака применима для всех анонимных сетей с малыми задержками.

Литература:

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Анонимные_сети

2. www.tadviser.ru/index.php/Персона:Чаум_Дэвид

3. Информационная безопасность (2-я книга социально-политического проекта «Актуальные проблемы безопасности социума»). М.: «Оружие и технологии», 2009

4. Рекомендации по стандартизации «Техническая защита информации. Основные термины и определения» (Р 50.1.056-2005)