On the Security and Feasibility of Safebook: A Distributed Privacy-Preserving Online Social Network

International audienceSafebook tackles the security and privacy problems of online social networks. It puts a special emphasis on the privacy of users with respect to the application provider and provides defenses against intruders or malicious users. In order to assure privacy in the face of potential violations by the provider, Safebook is designed in a decentralized architecture. It relies on the cooperation among the independent parties that represent the users of the online social network at the same time. Safebook addresses the problem of building secure and privacypreserving data storage and communication mechanisms in a peer-topeer system by leveraging trust relationships akin to social networks in real life. This paper resumes the contributions of [7, 9, 8], and extends the first performance and security evaluation of Safebook

Analyzing and Enhancing Routing Protocols for Friend-to-Friend Overlays

The threat of surveillance by governmental and industrial parties is more eminent than ever. As communication moves into the digital domain, the advances in automatic assessment and interpretation of enormous amounts of data enable tracking of millions of people, recording and monitoring their private life with an unprecedented accurateness. The knowledge of such an all-encompassing loss of privacy affects the behavior of individuals, inducing various degrees of (self-)censorship and anxiety. Furthermore, the monopoly of a few large-scale organizations on digital communication enables global censorship and manipulation of public opinion. Thus, the current situation undermines the freedom of speech to a detrimental degree and threatens the foundations of modern society. Anonymous and censorship-resistant communication systems are hence of utmost importance to circumvent constant surveillance. However, existing systems are highly vulnerable to infiltration and sabotage. In particular, Sybil attacks, i.e., powerful parties inserting a large number of fake identities into the system, enable malicious parties to observe and possibly manipulate a large fraction of the communication within the system. Friend-to-friend (F2F) overlays, which restrict direct communication to parties sharing a real-world trust relationship, are a promising countermeasure to Sybil attacks, since the requirement of establishing real-world trust increases the cost of infiltration drastically. Yet, existing F2F overlays suffer from a low performance, are vulnerable to denial-of-service attacks, or fail to provide anonymity. Our first contribution in this thesis is concerned with an in-depth analysis of the concepts underlying the design of state-of-the-art F2F overlays. In the course of this analysis, we first extend the existing evaluation methods considerably, hence providing tools for both our and future research in the area of F2F overlays and distributed systems in general. Based on the novel methodology, we prove that existing approaches are inherently unable to offer acceptable delays without either requiring exhaustive maintenance costs or enabling denial-of-service attacks and de-anonymization. Consequentially, our second contribution lies in the design and evaluation of a novel concept for F2F overlays based on insights of the prior in-depth analysis. Our previous analysis has revealed that greedy embeddings allow highly efficient communication in arbitrary connectivity-restricted overlays by addressing participants through coordinates and adapting these coordinates to the overlay structure. However, greedy embeddings in their original form reveal the identity of the communicating parties and fail to provide the necessary resilience in the presence of dynamic and possibly malicious users. Therefore, we present a privacy-preserving communication protocol for greedy embeddings based on anonymous return addresses rather than identifying node coordinates. Furthermore, we enhance the communication’s robustness and attack-resistance by using multiple parallel embeddings and alternative algorithms for message delivery. We show that our approach achieves a low communication complexity. By replacing the coordinates with anonymous addresses, we furthermore provably achieve anonymity in the form of plausible deniability against an internal local adversary. Complementary, our simulation study on real-world data indicates that our approach is highly efficient and effectively mitigates the impact of failures as well as powerful denial-of-service attacks. Our fundamental results open new possibilities for anonymous and censorship-resistant applications.Die Bedrohung der Überwachung durch staatliche oder kommerzielle Stellen ist ein drängendes Problem der modernen Gesellschaft. Heutzutage findet Kommunikation vermehrt über digitale Kanäle statt. Die so verfügbaren Daten über das Kommunikationsverhalten eines Großteils der Bevölkerung in Kombination mit den Möglichkeiten im Bereich der automatisierten Verarbeitung solcher Daten erlauben das großflächige Tracking von Millionen an Personen, deren Privatleben mit noch nie da gewesener Genauigkeit aufgezeichnet und beobachtet werden kann. Das Wissen über diese allumfassende Überwachung verändert das individuelle Verhalten und führt so zu (Selbst-)zensur sowie Ängsten. Des weiteren ermöglicht die Monopolstellung einiger weniger Internetkonzernen globale Zensur und Manipulation der öffentlichen Meinung. Deshalb stellt die momentane Situation eine drastische Einschränkung der Meinungsfreiheit dar und bedroht die Grundfesten der modernen Gesellschaft. Systeme zur anonymen und zensurresistenten Kommunikation sind daher von ungemeiner Wichtigkeit. Jedoch sind die momentanen System anfällig gegen Sabotage. Insbesondere ermöglichen es Sybil-Angriffe, bei denen ein Angreifer eine große Anzahl an gefälschten Teilnehmern in ein System einschleust und so einen großen Teil der Kommunikation kontrolliert, Kommunikation innerhalb eines solchen Systems zu beobachten und zu manipulieren. F2F Overlays dagegen erlauben nur direkte Kommunikation zwischen Teilnehmern, die eine Vertrauensbeziehung in der realen Welt teilen. Dadurch erschweren F2F Overlays das Eindringen von Angreifern in das System entscheidend und verringern so den Einfluss von Sybil-Angriffen. Allerdings leiden die existierenden F2F Overlays an geringer Leistungsfähigkeit, Anfälligkeit gegen Denial-of-Service Angriffe oder fehlender Anonymität. Der erste Beitrag dieser Arbeit liegt daher in der fokussierten Analyse der Konzepte, die in den momentanen F2F Overlays zum Einsatz kommen. Im Zuge dieser Arbeit erweitern wir zunächst die existierenden Evaluationsmethoden entscheidend und erarbeiten so Methoden, die Grundlagen für unsere sowie zukünftige Forschung in diesem Bereich bilden. Basierend auf diesen neuen Evaluationsmethoden zeigen wir, dass die existierenden Ansätze grundlegend nicht fähig sind, akzeptable Antwortzeiten bereitzustellen ohne im Zuge dessen enorme Instandhaltungskosten oder Anfälligkeiten gegen Angriffe in Kauf zu nehmen. Folglich besteht unser zweiter Beitrag in der Entwicklung und Evaluierung eines neuen Konzeptes für F2F Overlays, basierenden auf den Erkenntnissen der vorangehenden Analyse. Insbesondere ergab sich in der vorangehenden Evaluation, dass Greedy Embeddings hoch-effiziente Kommunikation erlauben indem sie Teilnehmer durch Koordinaten adressieren und diese an die Struktur des Overlays anpassen. Jedoch sind Greedy Embeddings in ihrer ursprünglichen Form nicht auf anonyme Kommunikation mit einer dynamischen Teilnehmermengen und potentiellen Angreifern ausgelegt. Daher präsentieren wir ein Privätssphäre-schützenden Kommunikationsprotokoll für F2F Overlays, in dem die identifizierenden Koordinaten durch anonyme Adressen ersetzt werden. Des weiteren erhöhen wir die Resistenz der Kommunikation durch den Einsatz mehrerer Embeddings und alternativer Algorithmen zum Finden von Routen. Wir beweisen, dass unser Ansatz eine geringe Kommunikationskomplexität im Bezug auf die eigentliche Kommunikation sowie die Instandhaltung des Embeddings aufweist. Ferner zeigt unsere Simulationstudie, dass der Ansatz effiziente Kommunikation mit kurzen Antwortszeiten und geringer Instandhaltungskosten erreicht sowie den Einfluss von Ausfälle und Angriffe erfolgreich abschwächt. Unsere grundlegenden Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten in der Entwicklung anonymer und zensurresistenter Anwendungen

Octopus: A Secure and Anonymous DHT Lookup

Distributed Hash Table (DHT) lookup is a core technique in structured peer-to-peer (P2P) networks. Its decentralized nature introduces security and privacy vulnerabilities for applications built on top of them; we thus set out to design a lookup mechanism achieving both security and anonymity, heretofore an open problem. We present Octopus, a novel DHT lookup which provides strong guarantees for both security and anonymity. Octopus uses attacker identification mechanisms to discover and remove malicious nodes, severely limiting an adversary's ability to carry out active attacks, and splits lookup queries over separate anonymous paths and introduces dummy queries to achieve high levels of anonymity. We analyze the security of Octopus by developing an event-based simulator to show that the attacker discovery mechanisms can rapidly identify malicious nodes with low error rate. We calculate the anonymity of Octopus using probabilistic modeling and show that Octopus can achieve near-optimal anonymity. We evaluate Octopus's efficiency on Planetlab with 207 nodes and show that Octopus has reasonable lookup latency and manageable communication overhead

Data Availability Sampling in Ethereum: Analysis of P2P Networking Requirements

Despite their increasing popularity, blockchains still suffer from severe scalability limitations. Recently, Ethereum proposed a novel approach to block validation based on Data Availability Sampling (DAS), that has the potential to improve its transaction per second rate by more than two orders of magnitude. DAS should also significantly reduce per-transaction validation costs. At the same time, DAS introduces new communication patterns in the Ethereum peer-to-peer (P2P) network. These drastically increase the amount of exchanged data and impose stringent latency objectives. In this paper, we review the new requirements for P2P networking associated with DAS, discuss open challenges, and identify new research directions

The Zenith attack: vulnerabilities and countermeasures

In this paper we identify and define Zenith attacks, a new class of attacks on content-distribution systems, which seek to expose the popularity (i.e. access frequency) of individual items of content. As the access pattern to most real-world content exhibits Zipf-like characteristics, there is a small set of dominating items which account for the majority of accesses. Identifying such items enables an adversary to perform follow up adversarial actions targeting these items, including mounting denial of service attacks, deploying censorship mechanisms, and eavesdropping on or prosecution of the host or recipient. We instantiate a Zenith attack on the Kademlia and Chord structured overlay networks and quantify the cost of such an attack. As a countermeasure to these attacks we propose Crypsis, a system to conceal the lookup frequency of individual keys through aggregation over ranges of the keyspace. Crypsis provides provable security guarantees for concealment of lookup frequency while maintaining logarithmic routing and state bounds.National Science Foundation (0735974, 0820138, 0952145, 1012798

Leveraging Social Links for Trust and Privacy in Networks

International audienc

Empirical and Analytical Perspectives on the Robustness of Blockchain-related Peer-to-Peer Networks

Die Erfindung von Bitcoin hat ein großes Interesse an dezentralen Systemen geweckt. Eine häufige Zuschreibung an dezentrale Systeme ist dabei, dass eine Dezentralisierung automatisch zu einer höheren Sicherheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Angriffen führt. Diese Dissertation widmet sich dieser Zuschreibung, indem untersucht wird, ob dezentralisierte Anwendungen tatsächlich so robust sind. Dafür werden exemplarisch drei Systeme untersucht, die häufig als Komponenten in komplexen Blockchain-Anwendungen benutzt werden: Ethereum als Infrastruktur, IPFS zur verteilten Datenspeicherung und schließlich "Stablecoins" als Tokens mit Wertstabilität. Die Sicherheit und Robustheit dieser einzelnen Komponenten bestimmt maßgeblich die Sicherheit des Gesamtsystems in dem sie verwendet werden; darüber hinaus erlaubt der Fokus auf Komponenten Schlussfolgerungen über individuelle Anwendungen hinaus. Für die entsprechende Analyse bedient sich diese Arbeit einer empirisch motivierten, meist Netzwerklayer-basierten Perspektive -- angereichert mit einer ökonomischen im Kontext von Wertstabilen Tokens. Dieses empirische Verständnis ermöglicht es Aussagen über die inhärenten Eigenschaften der studierten Systeme zu treffen. Ein zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist die Entdeckung und Demonstration einer "Eclipse-Attack" auf das Ethereum Overlay. Mittels eines solchen Angriffs kann ein Angreifer die Verbreitung von Transaktionen und Blöcken behindern und Netzwerkteilnehmer aus dem Overlay ausschließen. Des weiteren wird das IPFS-Netzwerk umfassend analysiert und kartografiert mithilfe (1) systematischer Crawls der DHT sowie (2) des Mitschneidens von Anfragenachrichten für Daten. Erkenntlich wird hierbei, dass die hybride Overlay-Struktur von IPFS Segen und Fluch zugleich ist, da das Gesamtsystem zwar robust gegen Angriffe ist, gleichzeitig aber eine umfassende Überwachung der Netzwerkteilnehmer ermöglicht wird. Im Rahmen der wertstabilen Kryptowährungen wird ein Klassifikations-Framework vorgestellt und auf aktuelle Entwicklungen im Gebiet der "Stablecoins" angewandt. Mit diesem Framework wird somit (1) der aktuelle Zustand der Stablecoin-Landschaft sortiert und (2) ein Mittel zur Verfügung gestellt, um auch zukünftige Designs einzuordnen und zu verstehen.The inception of Bitcoin has sparked a large interest in decentralized systems. In particular, popular narratives imply that decentralization automatically leads to a high security and resilience against attacks, even against powerful adversaries. In this thesis, we investigate whether these ascriptions are appropriate and if decentralized applications are as robust as they are made out to be. To this end, we exemplarily analyze three widely-used systems that function as building blocks for blockchain applications: Ethereum as basic infrastructure, IPFS for distributed storage and lastly "stablecoins" as tokens with a stable value. As reoccurring building blocks for decentralized applications these examples significantly determine the security and resilience of the overall application. Furthermore, focusing on these building blocks allows us to look past individual applications and focus on inherent systemic properties. The analysis is driven by a strong empirical, mostly network-layer based perspective; enriched with an economic point of view in the context of monetary stabilization. The resulting practical understanding allows us to delve into the systems' inherent properties. The fundamental results of this thesis include the demonstration of a network-layer Eclipse attack on the Ethereum overlay which can be leveraged to impede the delivery of transaction and blocks with dire consequences for applications built on top of Ethereum. Furthermore, we extensively map the IPFS network through (1) systematic crawling of its DHT, as well as (2) monitoring content requests. We show that while IPFS' hybrid overlay structure renders it quite robust against attacks, this virtue of the overlay is simultaneously a curse, as it allows for extensive monitoring of participating peers and the data they request. Lastly, we exchange the network-layer perspective for a mostly economic one in the context of monetary stabilization. We present a classification framework to (1) map out the stablecoin landscape and (2) provide means to pigeon-hole future system designs. With our work we not only scrutinize ascriptions attributed to decentral technologies; we also reached out to IPFS and Ethereum developers to discuss results and remedy potential attack vectors

Compromising Tor Anonymity Exploiting P2P Information Leakage

Privacy of users in P2P networks goes far beyond their current usage and is a fundamental requirement to the adoption of P2P protocols for legal usage. In a climate of cold war between these users and anti-piracy groups, more and more users are moving to anonymizing networks in an attempt to hide their identity. However, when not designed to protect users information, a P2P protocol would leak information that may compromise the identity of its users. In this paper, we first present three attacks targeting BitTorrent users on top of Tor that reveal their real IP addresses. In a second step, we analyze the Tor usage by BitTorrent users and compare it to its usage outside of Tor. Finally, we depict the risks induced by this de-anonymization and show that users' privacy violation goes beyond BitTorrent traffic and contaminates other protocols such as HTTP