P2P网络中的匿名通信算法研究
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资料介绍：
1.1.1 P2P系统中的匿名性
近几年来，人们逐渐在研究P2P网络中的节点隐藏和匿名通信问题，提出了一些解决办法。Napster是最先出现的一个P2P系统，它采用了集中式目录管理方式，所有peer信息都是通过中央服务器来进行发布和维护的，但是并未考虑节点的信息隐藏和整个P2P网络的安全。Gnutella是真正的纯P2P网络系统,没有中央服务器，所有节点都是对等的，采用flooding的方式来进行网络资源的定位，请求者与服务者之间建立直接的通信通道来进行文件传输。它在资源搜索的时候保证了节点的隐蔽和匿名，但在文件传输的过程中这个作用就丧失了。Freenet也是一个纯P2P的分布式结构化文件共享存储系统,在文件传输过程中采用多级代理转发来实现节点的隐蔽。但是它采用的全链路方式，在请求者和发送者之间的链路都是与相邻节点之间进行连接而形成，同时它采用的是全程缓存技术，这样就导致了系统较大的访问延迟和系统开销，同时存在单点失效的问题。APFS是在基于集中目录式管理结构的P2P文件共享系统中采用Onion Routing解决节点相互隐藏问题，采用IP组播的技术来实现会话管理。Mapper基于分布式无结构P2P文件共享系统，将IP组播技术和多级代理转发技术相结合，解决了P2P网络中文件访问的相互匿名问题。Crowds系统是基于组群的思想来实现匿名的。系统中的代理，称做jondo，每个成员用户均有一个jondo。当用户发出服务请求时，jondo充当请求代理，将该请求以等概率随机发给组中任一代理之后，路径上每个代理以随机概率决定是转发给下一个代理，还是将服务请求传给Server[4]。
2.2 信息量分析攻击
信息量分析攻击是匿名系统常见的攻击方式之一。信息量分析攻击通过分析传送信息的长度，对手可以关联不同的客户端－服务器对。信息量分析攻击是对通信方式的研究，对象不是电文内容本身，而是它们的特点。谁和谁联系过、什么时候、电文的长度是多少、在多短的时间答复、答复有多长，这些就是信息量分析的问题，其答案可以揭示出大量的信息。
在Mix网络中传输的信息包中添加Ri，其目的是用以消除攻击者验证两个加密信息包是否相同带来的威胁。即防止攻击者将从某个Mix节点发送出去的信息包，用该Mix的公钥重新加密之后，再与进入Mix的信息包进行比对，达到攻击目的。可是在一定程度上不能够抵御基于信息量分析的攻击。因为随机位串Ri相对于要发送的M来说是非常小的。比如一个2MB的信息包经过一个Mix结点后，大小仍然约等于2M。
Mix节点在传送信息包时可采取重新排序、延迟和填充手段使攻击者获取通信关系的概率更低，从而加大攻击者进行流量分析的难度。在抵御信息量分析攻击方面，显然，传统Mix机制可通过随机位串的填充将所有信息包填充成一样大，来抵御匿名系统中的信息量分析攻击，但是给系统带来了更多的开销。比如有一组信息包，其中大部分大小低于0.5M，而有一个是2M的，那么Mix可以通过把所有的信息包填充成2M，来抵御匿名系统中的信息量分析攻击，但这无疑加重了网络额外的带宽开销，引发拥塞，从而降低了网络的性能。 think58.com
2.3 基于分组填充Mix策略的匿名通信机制
Mix节点输出报文的规则关系到Mix网络的匿名性能，目前关于Mix节点转发报文的规则主要有阈值(Threshold)Mix，缓冲池(Pool)Mix，停止转发(Stop-and-Go)Mix等。在阈值Mix系统中，Mix节点转发报文的规则是：事先设定一个阈值n，只有当Mix收到的信息包数目达到阈值n时，才将n个信息包同时发送出去。
为了在有效保证Mix机制抵御信息量分析攻击能力的前提下，尽量降低不必要的通信开销。本节在阈值Mix系统中Mix节点转发报文的规则基础上，提出了一种基于分组填充Mix策略的新型匿名通信机制，其核心思想如下：事先设定一个阈值n，当Mix收到的信息包数目达到阈值n时，Mix先对n个信息包进行分组填充，然后打乱顺序将n个信息包同时发送出去。
基于上述分组填充Mix思想，综合考虑通信开销与匿名度之间的平衡关系，本节给出了分组填充算法如下：
分组填充算法：
Step 1：Mix接收n个信息包
Step 2：对接收到的每一个信息包，用自己的公钥解密，丢弃随机位串
Step 3：把n个信息包按包的大小从小到大进行排序
Step 4：每相邻的k个包分为一个组，填充为组内的包的最大值。如果最后只剩下不到k个包，就把剩下的包作为一组，填充为组内的包的最大值。 内容来自think58
在这个算法中，k取值越小，带宽越节约，k的取值越大，匿名性越好。如果取k=1，就是每个包都不填充，都按原来的大小发送，这样是最节约带宽的，但是达不到理想的匿名效果。如果取k＝n，就相当于全部填充成该n个数据包中最大的值，这样就有比较高的匿名性。所以，k的取值要在带宽和匿名度之间做一个权衡。对于匿名性，如果一个由多个Mix节点组成的匿名通信网络中，每一个Mix节点都对接收到的信息包采取分组填充，那么，即使k＝2，新机制还是可以有较高的匿名性，可以抵御比较网络中包大小的信息量分析攻击。
3.2 NS原理
3.2.1 丰富的构件库
用户可以自己完成对所要研究的系统的建模工作，编写各种事件的处理代码，然后利用这个离散事件模拟器来完成对这个模拟的模拟。然而，这样不能发挥NS的优势，不符合NS设计者的本意。针对网络模拟，NS已经预先做了大量的模型化工作。NS对网络系统中一些通用的实体已经进行了建模，例如链路、队列、分组、节点等，并用对象来实现了这些实体的特性和功能，这就是NS的构件库。相对于一般的离散事件模拟器来说，NS的优势就在于它有非常丰富的构件库，而且这些对象易于组合，易于扩展。用户可以充分利用这些已有的对象，进行少量的扩展，组合出所要研究的网络系统的模型，然后进行模拟。这样就大大减轻了进行网络模拟研究的工作量，提高了效率。 copyright think58
NS的构件库所支持的网络类型包括广域网、局域网、移动通信网、卫星通信网等，所支持的路由方式包括层次路由、动态路由、多播路由等。NS还提供了跟踪和监测的对象，可以把网络系统中的状态和事件记录下来以便分析。另外，NS的构件库中还提供了大量的数学方面的支持，包括随机数产生、随机变量、积分等。
近几年来，人们逐渐在研究P2P网络中的节点隐藏和匿名通信问题，提出了一些解决办法。Napster是最先出现的一个P2P系统，它采用了集中式目录管理方式，所有peer信息都是通过中央服务器来进行发布和维护的，但是并未考虑节点的信息隐藏和整个P2P网络的安全。Gnutella是真正的纯P2P网络系统,没有中央服务器，所有节点都是对等的，采用flooding的方式来进行网络资源的定位，请求者与服务者之间建立直接的通信通道来进行文件传输。它在资源搜索的时候保证了节点的隐蔽和匿名，但在文件传输的过程中这个作用就丧失了。Freenet也是一个纯P2P的分布式结构化文件共享存储系统,在文件传输过程中采用多级代理转发来实现节点的隐蔽。但是它采用的全链路方式，在请求者和发送者之间的链路都是与相邻节点之间进行连接而形成，同时它采用的是全程缓存技术，这样就导致了系统较大的访问延迟和系统开销，同时存在单点失效的问题。APFS是在基于集中目录式管理结构的P2P文件共享系统中采用Onion Routing解决节点相互隐藏问题，采用IP组播的技术来实现会话管理。Mapper基于分布式无结构P2P文件共享系统，将IP组播技术和多级代理转发技术相结合，解决了P2P网络中文件访问的相互匿名问题。Crowds系统是基于组群的思想来实现匿名的。系统中的代理，称做jondo，每个成员用户均有一个jondo。当用户发出服务请求时，jondo充当请求代理，将该请求以等概率随机发给组中任一代理之后，路径上每个代理以随机概率决定是转发给下一个代理，还是将服务请求传给Server[4]。
think58.com
[来源：http://think58.com]
2.2 信息量分析攻击
信息量分析攻击是匿名系统常见的攻击方式之一。信息量分析攻击通过分析传送信息的长度，对手可以关联不同的客户端－服务器对。信息量分析攻击是对通信方式的研究，对象不是电文内容本身，而是它们的特点。谁和谁联系过、什么时候、电文的长度是多少、在多短的时间答复、答复有多长，这些就是信息量分析的问题，其答案可以揭示出大量的信息。
在Mix网络中传输的信息包中添加Ri，其目的是用以消除攻击者验证两个加密信息包是否相同带来的威胁。即防止攻击者将从某个Mix节点发送出去的信息包，用该Mix的公钥重新加密之后，再与进入Mix的信息包进行比对，达到攻击目的。可是在一定程度上不能够抵御基于信息量分析的攻击。因为随机位串Ri相对于要发送的M来说是非常小的。比如一个2MB的信息包经过一个Mix结点后，大小仍然约等于2M。
Mix节点在传送信息包时可采取重新排序、延迟和填充手段使攻击者获取通信关系的概率更低，从而加大攻击者进行流量分析的难度。在抵御信息量分析攻击方面，显然，传统Mix机制可通过随机位串的填充将所有信息包填充成一样大，来抵御匿名系统中的信息量分析攻击，但是给系统带来了更多的开销。比如有一组信息包，其中大部分大小低于0.5M，而有一个是2M的，那么Mix可以通过把所有的信息包填充成2M，来抵御匿名系统中的信息量分析攻击，但这无疑加重了网络额外的带宽开销，引发拥塞，从而降低了网络的性能。 think58.com
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2.3 基于分组填充Mix策略的匿名通信机制
Mix节点输出报文的规则关系到Mix网络的匿名性能，目前关于Mix节点转发报文的规则主要有阈值(Threshold)Mix，缓冲池(Pool)Mix，停止转发(Stop-and-Go)Mix等。在阈值Mix系统中，Mix节点转发报文的规则是：事先设定一个阈值n，只有当Mix收到的信息包数目达到阈值n时，才将n个信息包同时发送出去。
为了在有效保证Mix机制抵御信息量分析攻击能力的前提下，尽量降低不必要的通信开销。本节在阈值Mix系统中Mix节点转发报文的规则基础上，提出了一种基于分组填充Mix策略的新型匿名通信机制，其核心思想如下：事先设定一个阈值n，当Mix收到的信息包数目达到阈值n时，Mix先对n个信息包进行分组填充，然后打乱顺序将n个信息包同时发送出去。
基于上述分组填充Mix思想，综合考虑通信开销与匿名度之间的平衡关系，本节给出了分组填充算法如下：
分组填充算法：
Step 1：Mix接收n个信息包
Step 2：对接收到的每一个信息包，用自己的公钥解密，丢弃随机位串
Step 3：把n个信息包按包的大小从小到大进行排序
Step 4：每相邻的k个包分为一个组，填充为组内的包的最大值。如果最后只剩下不到k个包，就把剩下的包作为一组，填充为组内的包的最大值。 内容来自think58
[来源：http://www.think58.com]
在这个算法中，k取值越小，带宽越节约，k的取值越大，匿名性越好。如果取k=1，就是每个包都不填充，都按原来的大小发送，这样是最节约带宽的，但是达不到理想的匿名效果。如果取k＝n，就相当于全部填充成该n个数据包中最大的值，这样就有比较高的匿名性。所以，k的取值要在带宽和匿名度之间做一个权衡。对于匿名性，如果一个由多个Mix节点组成的匿名通信网络中，每一个Mix节点都对接收到的信息包采取分组填充，那么，即使k＝2，新机制还是可以有较高的匿名性，可以抵御比较网络中包大小的信息量分析攻击。
3.2 NS原理
3.2.1 丰富的构件库
用户可以自己完成对所要研究的系统的建模工作，编写各种事件的处理代码，然后利用这个离散事件模拟器来完成对这个模拟的模拟。然而，这样不能发挥NS的优势，不符合NS设计者的本意。针对网络模拟，NS已经预先做了大量的模型化工作。NS对网络系统中一些通用的实体已经进行了建模，例如链路、队列、分组、节点等，并用对象来实现了这些实体的特性和功能，这就是NS的构件库。相对于一般的离散事件模拟器来说，NS的优势就在于它有非常丰富的构件库，而且这些对象易于组合，易于扩展。用户可以充分利用这些已有的对象，进行少量的扩展，组合出所要研究的网络系统的模型，然后进行模拟。这样就大大减轻了进行网络模拟研究的工作量，提高了效率。 copyright think58
[资料来源：www.THINK58.com]
NS的构件库所支持的网络类型包括广域网、局域网、移动通信网、卫星通信网等，所支持的路由方式包括层次路由、动态路由、多播路由等。NS还提供了跟踪和监测的对象，可以把网络系统中的状态和事件记录下来以便分析。另外，NS的构件库中还提供了大量的数学方面的支持，包括随机数产生、随机变量、积分等。