r12013@catbus: nickm | 2007-02-28 18:26:13 -0500
[tor.git] / doc / incentives.txt
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2                  Tor Incentives Design Brainstorms
4 1. Goals: what do we want to achieve with an incentive scheme?
6 1.1. Encourage users to provide good relay service (throughput, latency).
7 1.2. Encourage users to allow traffic to exit the Tor network from
8      their node.
10 2. Approaches to learning who should get priority.
12 2.1. "Hard" or quantitative reputation tracking.
14    In this design, we track the number of bytes and throughput in and
15    out of nodes we interact with. When a node asks to send or receive
16    bytes, we provide service proportional to our current record of the
17    node's value. One approach is to let each circuit be either a normal
18    circuit or a premium circuit, and nodes can "spend" their value by
19    sending and receiving bytes on premium circuits: see section 4.1 for
20    details of this design. Another approach (section 4.2) would treat
21    all traffic from the node with the same priority class, and so nodes
22    that provide resources will get and provide better service on average.
24    This approach could be complemented with an anonymous e-cash
25    implementation to let people spend reputations gained from one context
26    in another context.
28 2.2. "Soft" or qualitative reputation tracking.
30    Rather than accounting for every byte (if I owe you a byte, I don't
31    owe it anymore once you've spent it), instead I keep a general opinion
32    about each server: my opinion increases when they do good work for me,
33    and it decays with time, but it does not decrease as they send traffic.
34    Therefore we reward servers who provide value to the system without
35    nickle and diming them at each step. We also let them benefit from
36    relaying traffic for others without having to "reserve" some of the
37    payment for their own use. See section 4.3 for a possible design.
39 2.3. Centralized opinions from the reputation servers.
41    The above approaches are complex and we don't have all the answers
42    for them yet. A simpler approach is just to let some central set
43    of trusted servers (say, the Tor directory servers) measure whether
44    people are contributing to the network, and provide a signal about
45    which servers should be rewarded. They can even do the measurements
46    via Tor so servers can't easily perform only when they're being
47    tested. See section 4.4.
49 2.4. Reputation servers that aggregate opinions.
51    The option above has the directory servers doing all of the
52    measurements. This doesn't scale. We can set it up so we have "deputy
53    testers" -- trusted other nodes that do performance testing and report
54    their results.
56    If we want to be really adventurous, we could even
57    accept claims from every Tor user and build a complex weighting /
58    reputation system to decide which claims are "probably" right.
59    One possible way to implement the latter is something similar to
60    EigenTrust [http://www.stanford.edu/~sdkamvar/papers/eigentrust.pdf],
61    where the opinion of nodes with high reputation more is weighted
62    higher.
64 3. Related issues we need to keep in mind.
66 3.1. Relay and exit configuration needs to be easy and usable.
68    Implicit in all of the above designs is the need to make it easy to
69    run a Tor server out of the box. We need to make it stable on all
70    common platforms (including XP), it needs to detect its available
71    bandwidth and not overreach that, and it needs to help the operator
72    through opening up ports on his firewall. Then we need a slick GUI
73    that lets people click a button or two rather than editing text files.
75    Once we've done all this, we'll hit our first big question: is
76    most of the barrier to growth caused by the unusability of the current
77    software? If so, are the rest of these incentive schemes superfluous?
79 3.2. The network effect: how many nodes will you interact with?
81    One of the concerns with pairwise reputation systems is that as the
82    network gets thousands of servers, the chance that you're going to
83    interact with a given server decreases. So if 90% of interactions
84    don't have any prior information, the "local" incentive schemes above
85    are going to degrade. This doesn't mean they're pointless -- it just
86    means we need to be aware that this is a limitation, and plan in the
87    background for what step to take next. (It seems that e-cash solutions
88    would scale better, though they have issues of their own.)
90 3.3. Guard nodes
92    As of Tor 0.1.1.11, Tor users pick from a small set of semi-permanent
93    "guard nodes" for their first hop of each circuit. This seems like it
94    would have a big impact on pairwise reputation systems since you
95    will only be cashing in on your reputation to a few people, and it is
96    unlikely that a given pair of nodes will use each other as guard nodes.
98    What does this imply? For one, it means that we don't care at all
99    about the opinions of most of the servers out there -- we should
100    focus on keeping our guard nodes happy with us.
102    One conclusion from that is that our design needs to judge performance
103    not just through direct interaction (beginning of the circuit) but
104    also through indirect interaction (middle of the circuit). That way
105    you can never be sure when your guards are measuring you.
107    Both 3.2 and 3.3 may be solved by having a global notion of reputation,
108    as in 2.3 and 2.4. However, computing the global reputation from local
109    views could be expensive (O(n^2)) when the network is really large.
111 3.4. Restricted topology: benefits and roadmap.
113    As the Tor network continues to grow, we will need to make design
114    changes to the network topology so that each node does not need
115    to maintain connections to an unbounded number of other nodes. For
116    anonymity's sake, we may partition the network such that all
117    the nodes have the same belief about the divisions and each node is
118    in only one partition. (The alternative is that every user fetches
119    his own random subset of the overall node list -- this is bad because
120    of intersection attacks.)
122    Therefore the "network horizon" for each user will stay bounded,
123    which helps against the above issues in 3.2 and 3.3.
125    It could be that the core of long-lived servers will all get to know
126    each other, and so the critical point that decides whether you get
127    good service is whether the core likes you. Or perhaps it will turn
128    out to work some other way.
130    A special case here is the social network, where the network isn't
131    partitioned randomly but instead based on some external properties.
132    Social network topologies can provide incentives in other ways, because
133    people may be more inclined to help out their friends, and more willing
134    to relay traffic if most of the traffic they are relaying comes
135    from their friends. It also opens the door for out-of-band incentive
136    schemes because of the out-of-band links in the graph.
138 3.5. Profit-maximizing vs. Altruism.
140    There are some interesting game theory questions here.
142    First, in a volunteer culture, success is measured in public utility
143    or in public esteem. If we add a reward mechanism, there's a risk that
144    reward-maximizing behavior will surpass utility- or esteem-maximizing
145    behavior.
147    Specifically, if most of our servers right now are relaying traffic
148    for the good of the community, we may actually *lose* those volunteers
149    if we turn the act of relaying traffic into a selfish act.
151    I am not too worried about this issue for now, since we're aiming
152    for an incentive scheme so effective that it produces tens of
153    thousands of new servers.
155 3.6. What part of the node's performance do you measure?
157    We keep referring to having a node measure how well the other nodes
158    receive bytes. But don't leeching clients receive bytes just as well
159    as servers?
161    Further, many transactions in Tor involve fetching lots of
162    bytes and not sending very many. So it seems that we want to turn
163    things around: we need to measure how quickly a node is _sending_
164    us bytes, and then only send it bytes in proportion to that.
166    However, a sneaky user could simply connect to a node and send some
167    traffic through it, and voila, he has performed for the network. This
168    is no good. The first fix is that we only count if you're receiving
169    bytes "backwards" in the circuit. Now the sneaky user needs to
170    construct a circuit such that his node appears later in the circuit,
171    and then send some bytes back quickly.
173    Maybe that complexity is sufficient to deter most lazy users. Or
174    maybe it's an argument in favor of a more penny-counting reputation
175    approach.
177    Addendum: I was more thinking of measuring based on who is the service
178    provider and service receiver for the circuit. Say Alice builds a
179    circuit to Bob. Then Bob is providing service to Alice, since he
180    otherwise wouldn't need to spend his bandwidth. So traffic in either
181    direction should be charged to Alice. Of course, the same attack would
182    work, namely, Bob could cheat by sending bytes back quickly. So someone
183    close to the origin needs to detect this and close the circuit, if
184    necessary. -JN
186 3.7. What is the appropriate resource balance for servers vs. clients?
188    If we build a good incentive system, we'll still need to tune it
189    to provide the right bandwidth allocation -- if we reserve too much
190    bandwidth for fast servers, then we're wasting some potential, but
191    if we reserve too little, then fewer people will opt to become servers.
192    In fact, finding an optimum balance is especially hard because it's
193    a moving target: the better our incentive mechanism (and the lower
194    the barrier to setup), the more servers there will be. How do we find
195    the right balance?
197    One answer is that it doesn't have to be perfect: we can err on the
198    side of providing extra resources to servers. Then we will achieve our
199    desired goal -- when people complain about speed, we can tell them to
200    run a server, and they will in fact get better performance.
202 3.8. Anonymity attack: fast connections probably come from good servers.
204    If only fast servers can consistently get good performance in the
205    network, they will stand out. "Oh, that connection probably came from
206    one of the top ten servers in the network." Intersection attacks over
207    time can improve the certainty of the attack.
209    I'm not too worried about this. First, in periods of low activity,
210    many different people might be getting good performance. This dirties
211    the intersection attack. Second, with many of these schemes, we will
212    still be uncertain whether the fast node originated the traffic, or
213    was the entry node for some other lucky user -- and we already accept
214    this level of attack in other cases such as the Murdoch-Danezis attack
215    [http://freehaven.net/anonbib/#torta05].
217 3.9. How do we allocate bandwidth over the course of a second?
219    This may be a simple matter of engineering, but it still needs to be
220    addressed. Our current token bucket design refills each bucket once a
221    second. If we have N tokens in our bucket, and we don't know ahead of
222    time how many connections are going to want to send out how many bytes,
223    how do we balance providing quick service to the traffic that is
224    already here compared to providing service to potential high-importance
225    future traffic?
227    If we have only two classes of service, here is a simple design:
228    At each point, when we are 1/t through the second, the total number
229    of non-priority bytes we are willing to send out is N/t. Thus if N
230    priority bytes are waiting at the beginning of the second, we drain
231    our whole bucket then, and otherwise we provide some delayed service
232    to the non-priority bytes.
234    Does this design expand to cover the case of three priority classes?
235    Ideally we'd give each remote server its own priority number. Or
236    hopefully there's an easy design in the literature to point to --
237    this is clearly not my field.
239    Is our current flow control mechanism (each circuit and each stream
240    start out with a certain window, and once they've exhausted it they
241    need to receive an ack before they can send more) going to have
242    problems with this new design now that we'll be queueing more bytes
243    for less preferred nodes? If it turns out we do, the first fix is
244    to have the windows start out at zero rather than start out full --
245    it will slow down the startup phase but protect us better.
247    While we have outgoing cells queued for a given server, we have the
248    option of reordering them based on the priority of the previous hop.
249    Is this going to turn out to be useful? If we're the exit node (that
250    is, there is no previous hop) what priority do those cells get?
252    Should we do this prioritizing just for sending out bytes (as I've
253    described here) or would it help to do it also for receiving bytes?
254    See next section.
256 3.10. Different-priority cells arriving on the same TCP connection.
258    In some of the proposed designs, servers want to give specific circuits
259    priority rather than having all circuits from them get the same class
260    of service.
262    Since Tor uses TCP's flow control for rate limiting, this constraints
263    our design choices -- it is easy to give different TCP connections
264    different priorities, but it is hard to give different cells on the
265    same connection priority, because you have to read them to know what
266    priority they're supposed to get.
268    There are several possible solutions though. First is that we rely on
269    the sender to reorder them so the highest priority cells (circuits) are
270    more often first. Second is that if we open two TCP connections -- one
271    for the high-priority cells, and one for the low-priority cells. (But
272    this prevents us from changing the priority of a circuit because
273    we would need to migrate it from one connection to the other.) A
274    third approach is to remember which connections have recently sent
275    us high-priority cells, and preferentially read from those connections.
277    Hopefully we can get away with not solving this section at all. But if
278    necessary, we can consult Ed Knightly, a Professor at Rice
279    [http://www.ece.rice.edu/~knightly/], for his extensive experience on
280    networking QoS.
282 3.11. Global reputation system: Congestion on high reputation servers?
284    If the notion of reputation is global (as in 2.3 or 2.4), circuits that
285    go through successive high reputation servers would be the fastest and
286    most reliable. This would incentivize everyone, regardless of their own
287    reputation, to choose only the highest reputation servers in its
288    circuits, causing an over-congestion on those servers.
290    One could argue, though, that once those servers are over-congested,
291    their bandwidth per circuit drops, which would in turn lower their
292    reputation in the future. A question is whether this would overall
293    stablize.
295    Another possible way is to keep a cap on reputation. In this way, a
296    fraction of servers would have the same high reputation, thus balancing
297    such load.
299 3.12. Another anonymity attack: learning from service levels.
301    If reputation is local, it may be possible for an evil node to learn
302    the identity of the origin through provision of differential service.
303    For instance, the evil node provides crappy bandwidth to everyone,
304    until it finds a circuit that it wants to trace the origin, then it
305    provides good bandwidth. Now, as only those directly or indirectly
306    observing this circuit would like the evil node, it can test each node
307    by building a circuit via each node to another evil node. If the
308    bandwidth is high, it is (somewhat) likely that the node was a part of
309    the circuit.
311    This problem does not exist if the reputation is global and nodes only
312    follow the global reputation, i.e., completely ignore their own view.
314 3.13. DoS through high priority traffic.
316    Assume there is an evil node with high reputation (or high value on
317    Alice) and this evil node wants to deny the service to Alice. What it
318    needs to do is to send a lot of traffic to Alice. To Alice, all traffic
319    from this evil node is of high priority. If the choice of circuits are
320    too based toward high priority circuits, Alice would spend most of her
321    available bandwidth on this circuit, thus providing poor bandwidth to
322    everyone else. Everyone else would start to dislike Alice, making it
323    even harder for her to forward other nodes' traffic. This could cause
324    Alice to have a low reputation, and the only high bandwidth circuit
325    Alice could use would be via the evil node.
327 3.14. If you run a fast server, can you run your client elsewhere?
329    A lot of people want to run a fast server at a colocation facility,
330    and then reap the rewards using their cablemodem or DSL Tor client.
332    If we use anonymous micropayments, where reputation can literally
333    be transferred, this is trivial.
335    If we pick a design where servers accrue reputation and can only
336    use it themselves, though, the clients can configure the servers as
337    their entry nodes and "inherit" their reputation. In this approach
338    we would let servers configure a set of IP addresses or keys that get
339    "like local" service.
341 4. Sample designs.
343 4.1. Two classes of service for circuits.
345    Whenever a circuit is built, it is specified by the origin which class,
346    either "premium" or "normal", this circuit belongs. A premium circuit
347    gets preferred treatment at each node. A node "spends" its value, which
348    it earned a priori by providing service, to the next node by sending
349    and receiving bytes. Once a node has overspent its values, the circuit
350    cannot stay as premium. It can either breaks or converts into a normal
351    circuit. Each node also reserves a small portion of bandwidth for
352    normal circuits to prevent starvation.
354    Pro: Even if a node has no value to spend, it can still use normal
355    circuits. This allow casual user to use Tor without forcing them to run
356    a server.
358    Pro: Nodes have incentive to forward traffic as quick and as much as
359    possible to accumulate value.
361    Con: There is no proactive method for a node to rebalance its debt. It
362    has to wait until there happens to be a circuit in the opposite
363    direction.
365    Con: A node needs to build circuits in such a way that each node in the
366    circuit has to have good values to the next node. This requires
367    non-local knowledge and makes circuits less reliable as the values are
368    used up in the circuit.
370    Con: May discourage nodes to forward traffic in some circuits, as they
371    worry about spending more useful values to get less useful values in
372    return.
374 4.2. Treat all the traffic from the node with the same service;
375      hard reputation system.
377    This design is similar to 4.1, except that instead of having two
378    classes of circuits, there is only one. All the circuits are
379    prioritized based on the value of the interacting node.
381    Pro: It is simpler to design and give priority based on connections,
382    not circuits.
384    Con: A node only needs to keep a few guard nodes happy to forward their
385    traffic.
387    Con: Same as in 4.1, may discourage nodes to forward traffic in some
388    circuits, as they worry about spending more useful values to get less
389    useful values in return.
391 4.3. Treat all the traffic from the node with the same service;
392      soft reputation system.
394    Rather than a guaranteed system with accounting (as 4.1 and 4.2),
395    we instead try for a best-effort system. All bytes are in the same
396    class of service. You keep track of other Tors by key, and give them
397    service proportional to the service they have given you. That is, in
398    the past when you have tried to push bytes through them, you track the
399    number of bytes and the average bandwidth, and use that to weight the
400    priority of their connections if they try to push bytes through you.
402    Now you're going to get minimum service if you don't ever push bytes
403    for other people, and you get increasingly improved service the more
404    active you are. We should have memories fade over time (we'll have
405    to tune that, which could be quite hard).
407    Pro: Sybil attacks are pointless because new identities get lowest
408    priority.
410    Pro: Smoothly handles periods of both low and high network load. Rather
411    than keeping track of the ratio/difference between what he's done for
412    you and what you've done for him, simply keep track of what he's done
413    for you, and give him priority based on that.
415    Based on 3.3 above, it seems we should reward all the nodes in our
416    path, not just the first one -- otherwise the node can provide good
417    service only to its guards. On the other hand, there might be a
418    second-order effect where you want nodes to like you so that *when*
419    your guards choose you for a circuit, they'll be able to get good
420    performance. This tradeoff needs more simulation/analysis.
422    This approach focuses on incenting people to relay traffic, but it
423    doesn't do much for incenting them to allow exits. It may help in
424    one way through: if there are few exits, then they will attract a
425    lot of use, so lots of people will like them, so when they try to
426    use the network they will find their first hop to be particularly
427    pleasant. After that they're like the rest of the world though. (An
428    alternative would be to reward exit nodes with higher values. At the
429    extreme, we could even ask the directory servers to suggest the extra
430    values, based on the current availability of exit nodes.)
432    Pro: this is a pretty easy design to add; and it can be phased in
433    incrementally simply by having new nodes behave differently.
435 4.4. Centralized opinions from the reputation servers.
437    Have a set of official measurers who spot-check servers from the
438    directory to see if they really do offer roughly the bandwidth
439    they advertise. Include these observations in the directory. (For
440    simplicity, the directory servers could be the measurers.) Then Tor
441    servers give priority to other servers. We'd like to weight the
442    priority by advertised bandwidth to encourage people to donate more,
443    but it seems hard to distinguish between a slow server and a busy
444    server.
446    The spot-checking can be done anonymously to prevent selectively
447    performing only for the measurers, because hey, we have an anonymity
448    network.
450    We could also reward exit nodes by giving them better priority, but
451    like above this only will affect their first hop. Another problem
452    is that it's darn hard to spot-check whether a server allows exits
453    to all the pieces of the Internet that it claims to. If necessary,
454    perhaps this can be solved by a distributed reporting mechanism,
455    where clients that can reach a site from one exit but not another
456    anonymously submit that site to the measurers, who verify.
458    A last problem is that since directory servers will be doing their
459    tests directly (easy to detect) or indirectly (through other Tor
460    servers), then we know that we can get away with poor performance for
461    people that aren't listed in the directory. Maybe we can turn this
462    around and call it a feature though -- another reason to get listed
463    in the directory.
465 5. Recommendations and next steps.
467 5.1. Simulation.
469    For simulation trace, we can use two: one is what we obtained from Tor
470    and one from existing web traces.
472    We want to simulate all the four cases in 4.1-4. For 4.4, we may want
473    to look at two variations: (1) the directory servers check the
474    bandwidth themselves through Tor; (2) each node reports their perceived
475    values on other nodes, while the directory servers use EigenTrust to
476    compute global reputation and broadcast those.
478 5.2. Deploying into existing Tor network.