Contributions to Privacy and Anonymity on the Internet Domain Name System and Second-Generation Onion Routing

Abstract

Tots els dies la nostra activitat a Internet deixa rastres de nosaltres mateixos i de la nostra forma de vida a través de l’emmagatzemament d’una gran quantitat d’informació personal, esdevenint en el que anomenem la nostra identitat digital. Avui en dia, el seguiment de les activitats dels usuaris correlacionat amb tals identitats digitals s’ha convertit en un dels principals interessos de no només companyies privades, sinó també de governs. La natura d’aquest interessos obeeix a diferents motivacions: comercials, polítiques, vigilància o censura entre d’altres. A més a més, el creixement exponencial de les dades disponibles i les capacitats de processar-les ha conduït a una situació encara pitjor. En resposta a aquestes circumstàncies, la demanda de tecnologies que preserven la privacitat i l’anonimat s’ha incrementat per part dels usuaris preocupats.

En aquesta línia, en el mar de dades que anomenem Internet, alguns dels protocols subjacents que suporten el seu funcionament estan en detriment de la preservació de les propietats de privacitat esmentades. El sistema de noms de domini (DNS) és in clar exemple, especialment si considerem que gairebé totes les activitats a Internet comencen per una petició DNS. De fet, quan el sistema DNS va ésser dissenyat als principis dels vuitanta no es va pretendre garantir la privacitat de les peticions realitzades per persones. En aquest sentit, el seu disseny subjacent està esdevenint insuficient per fer front als canvis i innovacions de la Internet d’avui.

Per contra, durant els últims anys, la xarxa Tor s’ha convertit en una de les xarxes superposades més populars per a l’anonimització de tràfic TCP. Tor és un sistema d’anonimat de baixa latència que es pot instal·lar com una aplicació d’usuari final en una àmplia gamma de sistemes operatius, el que permet redirigir el tràfic a través d’una sèrie de túnels d’anonimització virtuals. D’aquesta manera, els usuaris poden utilitzar els serveis de xarxa a través d’Internet sense comprometre la seva privacitat. A més, s’empra com a eina extremadament eficaç per eludir la censura, el que possibilita als seus usuaris connectar-se a recursos bloquejats.

Aquesta tesi doctoral se centra precisament en contribuir en aquests dos temes abans esmentats —el protocol DNS i la xarxa Tor— a través de l’estudi dels problemes de privacitat i anonimat, i reforçant les solucions actuals. De forma més precisa, els nostres esforços de recerca se centren en (1) L’abús del protocol DNS realitzat per part de botnets i com podem detectar tals fins maliciosos, (2) La manca de privacitat del protocol DNS i com podem millorar-la, i (3) De quina manera podem incrementar el rendiment de la xarxa Tor mentre que la seguretat es preserva.

Todos los días nuestra actividad en Internet deja rastros de nosotros mismos y de nuestra forma de vida a través del almacenamiento de una gran cantidad de información personal, convirtiéndose en lo que llamamos nuestra identidad digital. Hoy en día, el seguimiento de las actividades de los usuarios correlacionado con tales identidades digitales se ha convertido en uno de los principales intereses de no sólo compañías privadas, sino también de gobiernos. La naturaleza de este interés obedece a diferentes motivaciones: comerciales, políticas, vigilancia o censura entre otras. Además, el crecimiento exponencial de los datos disponibles y las capacidades de procesarlos ha conducido a una situación aún peor. En respuesta a estas circunstancias, la demanda de tecnologías que preservan la privacidad y el anonimato se ha incrementado por parte de los usuarios preocupados.

En esta línea, en el mar de datos que llamamos Internet, algunos de los protocolos subyacentes que soportan su funcionamiento están en detrimento de la preservación de las propiedades de privacidad mencionadas. El sistema de nombres de dominio (DNS) es un claro ejemplo, especialmente si consideramos que casi todas las actividades en Internet comienzan por una petición DNS. De hecho, cuando el sistema DNS fue diseñado a principios de los ochenta no se pretendió garantizar la privacidad de las peticiones realizadas por personas. En este sentido, su diseño subyacente está siendo insuficiente para hacer frente a los cambios e innovaciones de la Internet de hoy.

Por el contrario, durante los últimos años, la red Tor se ha convertido en una de las redes superpuestas más populares para la anonimización de tráfico TCP. Tor es un sistema de anonimato de baja latencia que se puede instalar como una aplicación de usuario final en una amplia gama de sistemas operativos, lo que permite redirigir el tráfico a través de una serie de túneles de anonimización virtuales. De esta manera, los usuarios pueden utilizar los servicios de red a través de Internet sin comprometer su privacidad. Además, se emplea como herramienta extremadamente eficaz para eludir la censura, lo que posibilita a sus usuarios conectarse a recursos bloqueados.

Esta tesis doctoral se centra precisamente en contribuir en estos dos temas antes mencionados —el protocolo DNS y la red Tor— a través del estudio de los problemas de privacidad y anonimato, y reforzando las soluciones actuales. De forma más precisa, nuestros esfuerzos de investigación se centran en (1) El abuso del protocolo DNS realizado por parte de botnets y cómo podemos detectar tales fines maliciosos, (2) La falta de privacidad del protocolo DNS y cómo podemos mejorarla, y (3) De que manera podemos incrementar el rendimiento de la red Tor mientras que la seguridad se preserva.

Everyday all our activity in Internet leaves traces of ourselves and of our way of life through the storing of a big amount of personal data, becoming what we call our digital identity. Nowadays, the tracking of the user activities correlated with such digital identities has become one of the principal interest of not only private companies, but also governments. The nature of such interest can obey to different motivations: business, politics, surveillance or censorship among others. Moreover, the exponential growth of the available data and the capabilities to process it has lead to a worst situation. In response to these circumstances, the demand of privacy-preserving and anonymous technologies has been increased on the part of concerned users.

In this line, in the sea of data which we call Internet, some of the underlying protocols that are underpinning its operation are detrimental to the safeguarding of the aforementioned privacy properties. The Domain Name System (DNS) is clearly an example of one of such protocols, specially if we consider that almost every activity on the Internet starts with a DNS query. In fact, when DNS was designed inthe early eighties it was not intended to guarantee the privacy of people’s queries. In that sense, its underlying design is becoming insufficient to face the changes and innovations of today’s Internet.

In contrast, during the recent years, the Tor network has become one of the most popular overlay networks for anonymising TCP traffic. Tor is a low-latency anonymity system that can be installed as an end-user application on a wide range of operating systems, allowing to redirect the traffic through a series of anonymising virtual tunnels. In such a way, users can use network services over Internet without compromising their privacy. Also, it is employed as en extremely effective censorship circumvention tool, allowing to its users to connect against blocked resources.

This dissertation is precisely focused on contributing to these two aforementioned topics —the DNS protocol and the Tor network— by studying the related privacy and anonymity problems and reinforcing current solutions. More precisely, our research efforts are centered on (1) The abuse of the DNS protocol performed by botnets and how we can detect such malicious purpose, (2) The lack of privacy of the DNS protocol and how we can improve it, and (3) How we can enhance the performance of the Tor network while security is preserved.