Formal Foundations for Anonymous Communication

Mit jeder Online-Tätigkeit hinterlassen wir digitale Fußspuren. Unternehmen und Regierungen nutzen die privaten Informationen, die von den riesigen Datenmengen der Online-Spuren abgeleitet werden können, um ihre Nutzer und Büger zu manipulieren. Als Gegenmaßnahme wurden anonyme Kommunikationsnetze vorgeschlagen. Diesen fehlen jedoch umfassende formale Grundlagen und folglich ist der Vergleich zwischen verschiedenen Ansätzen nur sehr eingeschränkt möglich. Mit einer gemeinsamen Grundlage zwischen allen Forschern und Entwicklern von anonymen Kommunikationsnetzen können Missverständnisse vermieden werden und die dringend benötigte Entwicklung von den Netzen wird beschleunigt. Mit Vergleichbarkeit zwischen den Lösungen, können die für den jeweiligen Anwendungsfall optimalen Netze besser identifiziert und damit die Entwicklungsanstrengungen gezielter auf Projekte verteilt werden. Weiterhin ermöglichen formale Grundlagen und Vergleichbarkeit ein tieferes Verständnis für die Grenzen und Effekte der eingesetzten Techniken zu erlangen. Diese Arbeit liefert zuerst neue Erkenntnisse zu generellen Formalisierungen für anonyme Kommunikation, bevor sie sich dann auf die praktisch am meisten verbreitete Technik konzentriert: Onion Routing und Mix Netzwerke. Als erstes wird die Vergleichbarkeit zwischen Privatsphärezielen sichergestellt, indem sie formal definiert und miteinander verglichen werden. Dabei enteht eine umfangreiche Hierarchie von eindeutigen Privatsphärezielen. Als zweites werden vorgeschlagene Netzwerke analysiert, um deren Grundbausteine zu identifizieren und deren Schutz als Auswirkung in der Hierarchy zu untersuchen. Diese Grunlagen erlauben Konflikte und Schwachstellen in existierenden Arbeiten zu entdecken und aufzuklären. Genauer zeigt sich damit, dass basierend of derselben informalen Definition verschieden stark schützende formale Versionen entstanden sind. Weiterhin werden in dieser Arbeit die Notions genutzt um existierende Unmöglichkeitsresultate für anonyme Kommunikation zu vergleichen. Dabei wird nicht nur die erste vollständige Sicht auf alle bekannten Schranken für anonyme Kommunikationsnetze gegeben, sondern mit einem tiefgründigen Ansatz werden die existierenden Schranken auch gestärkt und zu praktischen, dem Stand der Kunst entsprechenden Netzen in Bezug gesetzt. Letztlich konnten durch die generellen Betrachtungen von vorgeschlagenen Netzwerken und ihren Grundbausteinen, insbesondere auch Angriffe auf die vorherrschende Klasse von anonymen Kommunikationsnetzen gefunden werden: auf Onion Routing und Mix-Netzwerke. Davon motiviert wurden als zweiter Teil dieser Arbeit die formalen Grundlagen und praktisch eingesetzten Lösungen for Onion Routing und Mix-Netzwerke untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die bereits erwähnten Angriffe teilweise auf eine fehlerhafte, aber weit verbreitete Beweisstrategie für solche Netze zurückzuführen sind und es wurde eine sichere Beweisstrategie als deren Ersatz vorgeschlagen. Weiterhin wurde die neue Strategie für ein vorgeschlagenes, aber bisher nicht weiter verwendetes Paketformat eingesetzt und dieses als sicher bewiesen. Dieses Paketformat unterstützt allerdings keine Rückantworten, was höchstwahrscheinlich der Grund ist, aus dem sich aktuelle Netze auf ein unsicheres Paketformat verlassen. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine konzeptuelle, sichere Lösung für Onion Routing mit Rückantworten entworfen. Als weitere verwandte Beiträge, zeigt die Arbeit Beziehungen von Teilen der generellen Ergebnisse für anonyme Kommunikationsnetze zu ähnlichen, aber bisher hauptsächlich getrennt betrachteten Forschungsbereichen, wie Privatsphäre auf der Bitübertragungsschicht, Kontaktnachverfolgung und privatsphäre-schützenden, digitalen Bezahlsystemen

Panini -- Anonymous Anycast and an Instantiation

Anycast messaging (i.e., sending a message to an unspecified receiver) has long been neglected by the anonymous communication community. An anonymous anycast prevents senders from learning who the receiver of their message is, allowing for greater privacy in areas such as political activism and whistleblowing. While there have been some protocol ideas proposed, formal treatment of the problem is absent. Formal definitions of what constitutes anonymous anycast and privacy in this context are however a requirement for constructing protocols with provable guarantees. In this work, we define the anycast functionality and use a game-based approach to formalize its privacy and security goals. We further propose Panini, the first anonymous anycast protocol that only requires readily available infrastructure. We show that Panini allows the actual receiver of the anycast message to remain anonymous, even in the presence of an honest but curious sender. In an empirical evaluation, we find that Panini adds only minimal overhead over regular unicast: Sending a message anonymously to one of eight possible receivers results in an end-to-end latency of 0.76s

On Privacy Notions in Anonymous Communication

Many anonymous communication networks (ACNs) with different privacy goals have been developed. However, there are no accepted formal definitions of privacy and ACNs often define their goals and adversary models ad hoc. However, for the understanding and comparison of different flavors of privacy, a common foundation is needed. In this paper, we introduce an analysis framework for ACNs that captures the notions and assumptions known from different analysis frameworks. Therefore, we formalize privacy goals as notions and identify their building blocks. For any pair of notions we prove whether one is strictly stronger, and, if so, which. Hence, we are able to present a complete hierarchy. Further, we show how to add practical assumptions, e.g. regarding the protocol model or user corruption as options to our notions. This way, we capture the notions and assumptions of, to the best of our knowledge, all existing analytical frameworks for ACNs and are able to revise inconsistencies between them. Thus, our new framework builds a common ground and allows for sharper analysis, since new combinations of assumptions are possible and the relations between the notions are known

Onion Routing with Replies

Onion routing (OR) protocols are a crucial tool for providing anonymous internet communication. An OR protocol enables a user to anonymously send requests to a server. A fundamental problem of OR protocols is how to deal with replies: ideally, we would want the server to be able to send a reply back to the anonymous user without knowing or disclosing the user\u27s identity. Existing OR protocols do allow for such replies, but do not provably protect the payload (i.e., message) of replies against manipulation. Kuhn et al. (IEEE S&P 2020) show that such manipulations can in fact be leveraged to break anonymity of the whole protocol. In this work, we close this gap and provide the first framework and protocols for OR with protected replies. We define security in the sense of an ideal functionality in the universal composability model, and provide corresponding (less complex) game-based security notions for the individual properties. We also provide two secure instantiations of our framework: one based on updatable encryption, and one based on succinct non-interactive arguments (SNARGs) to authenticate payloads both in requests and replies. In both cases, our central technical handle is an implicit authentication of the transmitted payload data, as opposed to an explicit, but insufficient authentication (with MACs) in previous solutions. Our results exhibit a new and surprising application of updatable encryption outside of long-term data storage

Onion Routing with Replies

Onion routing (OR) protocols are a crucial tool for providing anonymous internet communication. An OR protocol enables a user to anonymously send requests to a server. A fundamental problem of OR protocols is how to deal with replies: ideally, we would want the server to be able to send a reply back to the anonymous user without knowing or disclosing the user’s identity. Existing OR protocols do allow for such replies, but do not provably protect the payload (i.e., message) of replies against manipulation. Kuhn et al. (IEEE S&P 2020) show that such manipulations can in fact be leveraged to break anonymity of the whole protocol. In this work, we close this gap and provide the first framework and protocols for OR with protected replies. We define security in the sense of an ideal functionality in the universal composability model, and provide corresponding (less complex) game-based security notions for the individual properties. We also provide two secure instantiations of our framework: one based on updatable encryption, and one based on succinct non-interactive arguments (SNARGs) to authenticate payloads both in requests and replies. In both cases, our central technical handle is an implicit authentication of the transmitted payload data, as opposed to an explicit, but insufficient authentication (with MACs) in previous solutions. Our results exhibit a new and surprising application of updatable encryption outside of long-term data storage.ISSN:0302-9743ISSN:1611-334

On privacy notions in anonymous communication

Many anonymous communication networks (ACNs) with different privacy goals have been devel- oped. Still, there are no accepted formal definitions of privacy goals, and ACNs often define their goals ad hoc. However, the formal definition of privacy goals benefits the understanding and comparison of different flavors of privacy and, as a result, the improvement of ACNs. In this paper, we work towards defining and comparing pri- vacy goals by formalizing them as privacy notions and identifying their building blocks. For any pair of no- tions we prove whether one is strictly stronger, and, if so, which. Hence, we are able to present a complete hier- archy. Using this rigorous comparison between notions, we revise inconsistencies between the existing works and improve the understanding of privacy goals