Side-channel timing attack on content privacy of named data networking

Abstract

A diversity of current applications, such as Netflix, YouTube, and social media, have used the Internet mainly as a content distribution network. Named Data Networking (NDN) is a network paradigm that attempts to answer today’s applications need by naming the content. NDN promises an optimized content distribution through a named content-centric design. One of the NDN key features is the use of in-network caching to improve network efficiency in terms of content distribution. However, the cached contents may put the consumer privacy at risk. Since the time response of cached contents is different from un-cached contents, the adversary may distinguish the cached contents (targets) from un-cached ones, through the side-channel timing responses. The scope of attack can be towards the content, the name, or the signature. For instance, the adversary may obtain the call history, the callee or caller location on a trusted Voice over NDN (VoNDN) and the popularity of contents in streaming applications (e.g. NDNtube, NDNlive) through side-channel timing responses of the cache. The side-channel timing attack can be mitigated by manipulating the time of the router responses. The countermeasures proposed by other researches, such as additional delay, random/probabilistic caching, group signatures, and no-caching can effectively be used to mitigate the attack. However, the content distribution may be affected by pre-configured countermeasures which may go against the goal of the original NDN paradigm. In this work, the detection and defense (DaD) approach is proposed to mitigate the attack efficiently and effectively. With the DaD usage, an attack can be detected by a multi-level detection mechanism, in order to apply the countermeasures against the adversarial faces. Also, the detections can be used to determine the severity of the attack. In order to detect the behavior of an adversary, a brute-force timing attack was implemented and simulated with the following applications and testbeds: i. a trusted application that mimics the VoNDN and identifies the cached certificate on a worldwide NDN testbed, and ii. a streaming-like NDNtube application to identify the popularity of videos on the NDN testbed and AT&T company. In simulation primary results showed that the multi-level detection based on DaD mitigated the attack about 39.1% in best-route, and 36.6% in multicast communications. Additionally, the results showed that DaD preserves privacy without compromising the efficiency benefits of in-network caching in NDNtube and VoNDN applications.

Várias aplicações atuais, como o Netflix e o YouTube, têm vindo a usar a Internet como uma rede de distribuição de conteúdos. O Named Data Networking (NDN) é um paradigma recente nas redes de comunicações que tenta responder às necessidades das aplicações modernas, através da nomeação dos conteúdos. O NDN promete uma otimização da distribuição dos conteúdos usando uma rede centrada nos conteúdos. Uma das características principais do NDN é o uso da cache disponivel nos nós da rede para melhorar a eficiência desta em termos de distribuição de conteúdos. No entanto, a colocação dos conteúdos em cache pode colocar em risco a privacidade dos consumidores. Uma vez que a resposta temporal de um conteúdo em cache é diferente do de um conteúdo que não está em cache, o adversário pode distinguir os conteúdos que estão em cache dos que não estão em cache, através das respostas de side-channel. O objectivo do ataque pode ser direcionado para o conteúdo, o nome ou a assinatura da mensagem. Por exemplo, o adversário pode obter o histórico de chamadas, a localização do callee ou do caller num serviço seguro de voz sobre NDN (VoNDN) e a popularidade do conteúdos em aplicações de streaming (e.g. NDNtube, NDNlive) através das respostas temporais de side-channel. O side-channel timing attack pode ser mitigado manipulando o tempo das respostas dos routers. As contramedidas propostas por outros pesquisadores, tais como o atraso adicional, o cache aleatório /probabilístico, as assinaturas de grupo e não fazer cache, podem ser efetivamente usadas para mitigar um ataque. No entanto, a distribuição de conteúdos pode ser afetada por contramedidas pré-configuradas que podem ir contra o propósito original do paradigma NDN. Neste trabalho, a abordagem de detecção e defesa (DaD) é proposta para mitigar o ataque de forma eficiente e eficaz. Com o uso do DaD, um ataque pode ser detectado por um mecanismo de detecção multi-nível, a fim de aplicar as contramedidas contra as interfaces dos adversários. Além disso, as detecções podem ser usadas para determinar a gravidade do ataque. A fim de detectar o comportamento de um adversário, um timing attack de força-bruta foi implementado e simulado com as seguintes aplicações e plataformas (testbeds): i. uma aplicação segura que implementa o VoNDN e identifica o certificado em cache numa plataforma NDN mundial; e ii. uma aplicação de streaming do tipo NDNtube para identificar a popularidade de vídeos na plataforma NDN da empresa AT&T. Os resultados da simulação mostraram que a detecção multi-nível oferecida pelo DaD atenuou o ataque cerca de 39,1% em best-route e 36,5% em comunicações multicast. Para avaliar o efeito nos pedidos legítimos, comparou-se o DaD com uma contramedida estática, tendo-se verificado que o DaD foi capaz de preservar todos os pedidos legítimos.