Security in peer-to-peer multimedia communications

Abstract

Le architetture peer-to-peer (p2p) sono diventate molto popolari negli ultimi anni in conseguenza della grande varietà di servizi che esse possono fornire. Nate principalmente per l'utilizzo come semplice metodo scalabile e decentralizzato per scambiarsi file, sono adesso diventate molto popolari anche per una gran quantità di altri servizi, sfruttando la possibilità di condividere tra peer la banda, la potenza computazionale, la capacità di memorizzazione ed altre risorse. Tra i possibili usi per cui una tale architettura può essere sfruttata, un campo emergente è lo studio dell’applicazione di tecnologie p2p a comunicazioni VoIP in modo da superare alcuni dei problemi di cui soffrono correntemente le piattaforme centralizzate basate su SIP.

Sfortunatamente, i problemi di sicurezza delle reti p2p sono ancora un campo di studio aperto, sia per il recente sviluppo di una tale piattaforma, sia per i rischi intrinseci di un ambiente distribuito stesso.

Questa tesi ha lo scopo di studiare i problemi di sicurezza e le possibili soluzioni in modo da garantire una comunicazione sicura p2p. La ricerca è stata condotta in due direzioni: sicurezza a livello di routing e sicurezza a livello applicativo. Questi rappresentano I due possibili step di uno scenario di comunicazione: prima di tutto si deve trovare in modo sicuro la posizione di chi si vuole chiamare (che può essere memorizzata in una rete p2p stessa), e questo è un problema di lookup sicuro; in un secondo momento bisogna assicurarsi che la persona con cui si sta andando a parlare è veramente chi si voleva e che la comunicazione stessa sia confidenziale e non possa essere modificata; questi sono problemi di autenticazione e confidenzialità.

Per quanto riguarda il primo punto, si sono studiati molti possibili attacchi a reti p2p strutturate e non strutturate, concentrandosi particolarmente sul Sybil attack da cui molti altri attacchi possono derivare. Dopo un analisi delle possibili contromisure presentate negli anni, ci siamo focalizzati sull’algoritmo DHT Kademlia, uno dei più usati nel mondo, studiando tramite simulazioni la degradazione delle performance in presenza di nodi malevoli. Si sono inoltre studiate contromisure basate su fiducia e reputazione e si è cercato di applicarle ad una rete Kademlia operante in un ambiente con un numero crescente di nodi malevoli. Per quanto riguarda il secondo punto, come prima cosa abbiamo studiato gli attuali key agreement protocol, focalizzandoci sul numero di messaggi scambiati e cercando di trovare possibili punti deboli persino in protocolli ed algoritmi largamente utilizzati. In un secondo tempo si è proposto un nuovo key agreement protocol basato su MIKEY e ZRTP che li integra nella procedura standard di INVITE di SIP. E’ stata inoltre fatta un’analisi del protocollo proposto. Su queste basi, si è andati oltre, aggiungendo anche metodi di autenticazione basati sui certificati ed un modo per gestire in maniera p2p certificati e firme. Infine, si è anche pensato ad un’architettura dove i certificati sono memorizzati in una rete p2p stessa tramite l’utilizzo di DHT.

Peer-to-peer (P2P) architectures became very popular in the last years as a consequence of the great variety of services they can provide. When they were born, they were mainly deployed as a simple, decentralized and scalable way to exchange files, but they have now become very popular also for a lot of different services, exploiting the possibility of sharing bandwidth, computing power, storage capacity and other resources between peers.

Among the possible uses such an architecture can be deployed for, an emerging field of study is the application of P2P technologies to VoIP communication scenarios in order to overcome some of the current issues centralized SIP-based platforms suffer of.

Unfortunately, security issues in P2P networks are still an open field of investigation both because of the recent development of such a platform and for the inherent risks of a distributed environment itself.

This thesis is meant to investigate the security issues and the possible solutions in order to setup a secure P2P communication. The research was conducted into two directions: - Security issues at routing level; - Security issues at application level. They represent the two steps of a possible communication scenario: first of all one must find in a secure way the location of the callee (maybe stored in a peer-to-peer network), this is a problem of secure lookup; then one must ensure that the person he is going to talk with is really who he wanted and that the communication itself is secret and cannot be tampered, these are problems of authentication and confidentiality.

As regards the first point, we studied several possible attacks to structured and unstructured peer-to-peer networks particularly focalizing onto the disruptive Sybil attack from which many other attack can be derived. After an analysis of the possible countermeasures presented over the years, we focalized onto the Kademlia algorithm, one of the most used in the world, studying through simulations the degradation of performances in presence of malicious nodes. We also studied trust and reputation countermeasures and tried to apply them to a Kademlia-based network operating in an environment where there is a growing number of malicious nodes.

For the second point, first of all we studied current key agreement protocols focusing on the number of messages and trying to find out possible drawbacks even in widely accepted protocols and algorithms. In a second time we proposed a new key agreement protocol based upon MIKEY and ZRTP integrating them into the standard SIP invite procedure. An analysis of the proposed protocol is also provided. On this basis we got further, adding also certificate-based authentication to our model and a way to manage in a P2P way certificates and signatures. Finally we also provided an architecture where certificates are stored in a P2P network itself with the use of a DHT.