proposals/112-bring-back-pathlencoinweight.txt

   1 Filename: 112-bring-back-pathlencoinweight.txt
   2 Title: Bring Back Pathlen Coin Weight
   3 Author: Mike Perry
   4 Created:
   5 Status: Superseded
   6 Superseded-By: 115
   7
   8
   9 Overview:
  10
  11   The idea is that users should be able to choose a weight which
  12   probabilistically chooses their path lengths to be 2 or 3 hops. This
  13   weight will essentially be a biased coin that indicates an
  14   additional hop (beyond 2) with probability P. The user should be
  15   allowed to choose 0 for this weight to always get 2 hops and 1 to
  16   always get 3.
  17
  18   This value should be modifiable from the controller, and should be
  19   available from Vidalia.
  20
  21
  22 Motivation:
  23
  24   The Tor network is slow and overloaded. Increasingly often I hear
  25   stories about friends and friends of friends who are behind firewalls,
  26   annoying censorware, or under surveillance that interferes with their
  27   productivity and Internet usage, or chills their speech. These people
  28   know about Tor, but they choose to put up with the censorship because
  29   Tor is too slow to be usable for them. In fact, to download a fresh,
  30   complete copy of levine-timing.pdf for the Anonymity Implications
  31   section of this proposal over Tor took me 3 tries.
  32
  33   There are many ways to improve the speed problem, and of course we
  34   should and will implement as many as we can. Johannes's GSoC project
  35   and my reputation system are longer term, higher-effort things that
  36   will still provide benefit independent of this proposal.
  37
  38   However, reducing the path length to 2 for those who do not need the
  39   (questionable) extra anonymity 3 hops provide not only improves
  40   their Tor experience but also reduces their load on the Tor network by
  41   33%, and can be done in less than 10 lines of code. That's not just
  42   Win-Win, it's Win-Win-Win.
  43
  44   Furthermore, when blocking resistance measures insert an extra relay
  45   hop into the equation, 4 hops will certainly be completely unusable
  46   for these users, especially since it will be considerably more
  47   difficult to balance the load across a dark relay net than balancing
  48   the load on Tor itself (which today is still not without its flaws).
  49
  50
  51 Anonymity Implications:
  52
  53   It has long been established that timing attacks against mixed
  54   networks are extremely effective, and that regardless of path
  55   length, if the adversary has compromised your first and last
  56   hop of your path, you can assume they have compromised your
  57   identity for that connection.
  58
  59   In [1], it is demonstrated that for all but the slowest, lossiest
  60   networks, error rates for false positives and false negatives were
  61   very near zero. Only for constant streams of traffic over slow and
  62   (more importantly) extremely lossy network links did the error rate
  63   hit 20%. For loss rates typical to the Internet, even the error rate
  64   for slow nodes with constant traffic streams was 13%.
  65
  66   When you take into account that most Tor streams are not constant,
  67   but probably much more like their "HomeIP" dataset, which consists
  68   mostly of web traffic that exists over finite intervals at specific
  69   times, error rates drop to fractions of 1%, even for the "worst"
  70   network nodes.
  71
  72   Therefore, the user has little benefit from the extra hop, assuming
  73   the adversary does timing correlation on their nodes. The real
  74   protection is the probability of getting both the first and last hop,
  75   and this is constant whether the client chooses 2 hops, 3 hops, or 42.
  76
  77   Partitioning attacks form another concern. Since Tor uses telescoping
  78   to build circuits, it is possible to tell a user is constructing only
  79   two hop paths at the entry node. It is questionable if this data is
  80   actually worth anything though, especially if the majority of users
  81   have easy access to this option, and do actually choose their path
  82   lengths semi-randomly.
  83
  84   Nick has postulated that exits may also be able to tell that you are
  85   using only 2 hops by the amount of time between sending their
  86   RELAY_CONNECTED cell and the first bit of RELAY_DATA traffic they
  87   see from the OP. I doubt that they will be able to make much use
  88   of this timing pattern, since it will likely vary widely depending
  89   upon the type of node selected for that first hop, and the user's
  90   connection rate to that first hop. It is also questionable if this
  91   data is worth anything, especially if many users are using this
  92   option (and I imagine many will).
  93
  94   Perhaps most seriously, two hop paths do allow malicious guards
  95   to easily fail circuits if they do not extend to their colluding peers
  96   for the exit hop. Since guards can detect the number of hops in a
  97   path, they could always fail the 3 hop circuits and focus on
  98   selectively failing the two hop ones until a peer was chosen.
  99
 100   I believe currently guards are rotated if circuits fail, which does
 101   provide some protection, but this could be changed so that an entry
 102   guard is completely abandoned after a certain ratio of extend or
 103   general circuit failures with respect to non-failed circuits. This
 104   could possibly be gamed to increase guard turnover, but such a game
 105   would be much more noticeable than an individual guard failing circuits,
 106   though, since it would affect all clients, not just those who chose
 107   a particular guard.
 108
 109
 110 Why not fix Pathlen=2?:
 111
 112   The main reason I am not advocating that we always use 2 hops is that
 113   in some situations, timing correlation evidence by itself may not be
 114   considered as solid and convincing as an actual, uninterrupted, fully
 115   traced path. Are these timing attacks as effective on a real network
 116   as they are in simulation? Would an extralegal adversary or authoritarian
 117   government even care? In the face of these situation-dependent unknowns,
 118   it should be up to the user to decide if this is a concern for them or not.
 119
 120   It should probably also be noted that even a false positive
 121   rate of 1% for a 200k concurrent-user network could mean that for a
 122   given node, a given stream could be confused with something like 10
 123   users, assuming ~200 nodes carry most of the traffic (ie 1000 users
 124   each). Though of course to really know for sure, someone needs to do
 125   an attack on a real network, unfortunately.
 126
 127
 128 Implementation:
 129
 130   new_route_len() can be modified directly with a check of the
 131   PathlenCoinWeight option (converted to percent) and a call to
 132   crypto_rand_int(0,100) for the weighted coin.
 133
 134   The entry_guard_t structure could have num_circ_failed and
 135   num_circ_succeeded members such that if it exceeds N% circuit
 136   extend failure rate to a second hop, it is removed from the entry list.
 137   N should be sufficiently high to avoid churn from normal Tor circuit
 138   failure as determined by TorFlow scans.
 139
 140   The Vidalia option should be presented as a boolean, to minimize confusion
 141   for the user. Something like a radiobutton with:
 142
 143    * "I use Tor for Censorship Resistance, not Anonymity. Speed is more
 144       important to me than Anonymity."
 145    * "I use Tor for Anonymity. I need extra protection at the cost of speed."
 146
 147   and then some explanation in the help for exactly what this means, and
 148   the risks involved with eliminating the adversary's need for timing attacks
 149   wrt to false positives, etc.
 150
 151 Migration:
 152
 153   Phase one: Experiment with the proper ratio of circuit failures
 154   used to expire garbage or malicious guards via TorFlow.
 155
 156   Phase two: Re-enable config and modify new_route_len() to add an
 157   extra hop if coin comes up "heads".
 158
 159   Phase three: Make radiobutton in Vidalia, along with help entry
 160   that explains in layman's terms the risks involved.
 161
 162
 163 [1] http://www.cs.umass.edu/~mwright/papers/levine-timing.pdf