An Analytical Framework for Evaluation of Reliability and Security in Advanced Network Systems

Today, anonymous networks such as The Onion Routing (Tor) have been designed to ensure anonymity, privacy and censorship prevention, which have become major concerns in modern society. Although the Tor network provides layered encryption and traffic tunneling against eavesdropping attacks, the jamming attacks and their impact on the network and network services can not be efficiently handled today. Moreover, to defy modern censorship, it is not enough just to use the Tor network to hide the client's identity and the message content as the censorship has become a type of jamming attack, which prevents users from connecting to the censored network nodes by blocking or jamming (Tor) traffic. In network security, the main tools to protect privacy and anonymity as well as integrity and service reliability against eavesdropping and jamming, respectively, are diversity, randomness, coding or encryption and over-provisioning, all less exploit in traditional networks. This thesis provides radical new network concepts to address the needs of traditional networks for privacy, anonymity, integrity, and reliability; and designs \emph{advanced network systems} based on parallel transmission, random routing, erasure coding and redundant configurations as tools to offer diversity, randomness, coding and over-provisioning. Since the network systems designed in this thesis can not be evaluated with existing analytical models due to their rather complex configurations, the main focus of this work is a development of novel analytical approaches for evaluation of network performance, reliability and security of these systems and to show their practicality. The provided analysis is based on combinatorics, probability and information theory. In contrast to current reliability models, the analysis in this thesis takes into account the sharing of network components, heterogeneity of software and hardware, and interdependence between failed components. The significant property of the new security analysis proposed is the ability to assess the level of privacy, anonymity, integrity and censorship success when multiple jamming and eavesdropping adversaries reside in the network.
Derzeit werden anonyme Internet Kommunikationssysteme, wie The Onion Routing (Tor), verwendet, um die Anonymität, die Privatsphäre und die Zensurfreiheit der Internetnutzer zu schützen. Obwohl das Tor-Netzwerk einen Schutz vor Lauschangriffe (Eavesdropping) bietet, kann ein beabsichtigtes Stören (Jamming) der Übertragung und den daraus resultierenden Auswirkungen auf die Netzwerkfunktionen derzeit nicht effektiv abgewehrt werden. Auch das moderne Zensurverfahren im Internet stellt eine Art des Jammings dar. Deswegen kann das Tor Netzwerk zwar die Identität der Tor-Nutzer und die Inhalte ihrer Nachrichten geheim halten, die Internetzensur kann dadurch nicht verhindert werden. Um die Netzwerksicherheit und insbesondere Anonymität, Privatsphäre und Integrität zusammen mit der Verfügbar.- und Zuverlässigkeit von Netzwerkservices zu gewährleisten, sind Diversität, Zufallsprinzip, Codierung (auch Verschlüsselung) und eine Überversorgung, die in den konventionellen Netzwerksystemen eher sparsam angewendet werden, die wichtigsten Mittel gegen Security-Angriffe. Diese Arbeit befasst sich mit grundlegend neuen Konzepten für Kommunikationsnetze, die einen Schutz der Anonymität und der Privatsphäre im Internet bei gleichzeitiger Sicherstellung von Integrität, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit ermöglichen. Die dabei verwendeten Konzepte sind die parallele Datenübertragung, das Random Routing, das Erasure Coding und redundante Systemkonfigurationen. Damit sollen Diversität, Zufallsprinzip, Codierung und eine Überversorgung gewährleistet werden. Da die entwickelten Übertragungssysteme komplexe Strukturen und Konfigurationen aufweisen, können existierende analytische Modelle nicht für eine fundierte Bewertung angewendet werden. Daher ist der Schwerpunkt dieser Arbeit neue analytische Verfahren für eine Bewertung von unterschiedlichen Netzwerkleistungsparametern, Zuverlässigkeit und Security zu entwickeln und die Praxistauglichkeit der in der Arbeit aufgeführten neuen Übertragungskonzepte zu beurteilen. Im Gegensatz zu existierenden Zuverlässigkeitsmodellen berücksichtigt der analytische Ansatz dieser Arbeit die Vielfalt von beteiligten Netzwerkkomponenten, deren komplexe Zusammenhänge und Abhängigkeiten im Fall eines Ausfalls.