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Freenet
Cos'è Freenet?
Freenet è una rete peer-to-peer decentralizzata, progettata per:
- Resistere alla censura
- Proteggere l'anonimato
- Rispettare la libertà di espressione
Cenni Storici
- Fondazione: paper di Ian Clarke, 2001
Il paper contiene le basi del protocollo Freenet, tuttora in sviluppo continuo.
Dal 2008 [Freenet 0.7] è divisa in Opennet e Darknet, supporta l'implementazione open source di JDK [OpenJDK] e supporta sia su TCP che su UDP a livello di trasporto.
Punti Chiave
- Anonimato per produttori e consumatori di informazioni
- Resistenza a tentativi di terze parti di negare accesso ai contenuti
- Proteggere l' anonimità dei dati salvati nei nodi
- Implementare archiviazione e routing in maniera dinamica ed efficiente
- Decentralizzare tutte le funzioni della rete
Architettura
Freenet = Rete di Nodi
Freenet è un network P2P adattivo, costituito da nodi che effettuano richieste ad altri nodi per salvare e ottenere data files.
- Tutti i nodi sono uguali e comunicano solo con i nodi prossimi
- Ogni nodo mantiene uno spazio di archiviazione locale che condivide con gli altri nodi
- I data files sono indicizzati da chiavi indipendenti dalla localizzazione [location-independent keys]
Indirizzi
Gli indirizzi dei nodi sono composti da:
- Metodo di trasporto
- Identificatore di trasporto specifico [IP + porta]
Anonimato e modifica di indirizzi si ottengono con le Address Resolution Keys (o Updatable Subspace Keys), contenenti l'indirizzo corrente del nodo. Le ARK permettono di superare alcuni firewalls, NAT e blocchi su IP.
USK@<...key...>/path/to/webpage
Richieste
- Richiesta = payload di un self-contained message
- Richiesta = Ricerca di una chiave corrispondente al data file da ottenere tra i nodi della rete. [Key-Based Routing]
La procedura di richiesta avviene come una catena di proxy requests divisa in step.
Ogni nodo decide dove indirizzare la richiesta durante lo step successivo.
Struttura di un messaggio
- ID pseudo-unico e casuale, che permette ai nodi di evitare i loop di richieste.
- Numero di Hops-To-Live [HTL], simili al Time-To-Live di IP ma basati sul numero di hop. Servono ad evitare catene di richieste infinite.
- Profondità, incrementata ad ogni hop.
- Payload della richiesta / risposta.
Il processo di passaggio delle richieste continua finchè la richiesta non è soddisfatta o gli HTL si esauriscono.
Struttura di un messaggio
Key-Based
Routing
Chiavi e Ricerche
In Freenet, i files sono identificati da chiavi binarie:
- Keyword-Signed-Key [KSK]
- Signed-Subspace-Key [SSK]
- Content-Hash-Key [CHK]
Le chiavi sono ottenute utilizzando funzioni di hash tra cui DSA e SHA.
Keyword Signed Key
La chiave più basica utilizzata da Freenet, derivata da una stringa di testo scelta dall'utente al momento del file upload in rete.
La stringa è usata come input per ottenere una coppia di chiavi asimmetriche, di cui:
- La pubblica viene passata alla funzione di hash, ottenendo la file key
- La privata è utilizzata per firmare il file, provvedendo un minimo controllo di integrità.
KSK
Analisi
- Un sistema simile è soggetto a dictionary attacks contro la chiave privata, dato che ogni nodo può ottenere una lista di stringhe descrittive.
Per questo il file è anche cifrato utilizzando la stringa descrittiva come chiave.
- Le chiavi KSK non sono uniche, per questo motivo sono state abbandonate in funzione delle SSK.
Signed Subspace Key
Evoluzione di KSK.
- Abilita i personal namespaces, identificati da una coppia di chiavi asimmetriche
- Stringa descrittiva e chiave pubblica del namespace sono passate alla funzione di hash indipendentemente
- Sui due hash ottenuti: bit-by-bit XOR -> file key
- La chiave privata è utilizzata per firmare il file
SSK
Analisi
- Migliora KSK in quanto la file key è generata da una coppia di chiavi casuali
Per ottenere un file, un nodo deve conoscere:
- Stringa descrittiva
- Public Subspace Key
In aggiunta, ogni utente ha un namespace unico e gestibile.
Content Hask Key
Hash diretto del file, ottenendo una file key pseudo-unica.
I file sono successivamente cifrati con una encryption key generata casualmente.
Per ottenere il file sono necessarie sia la file key che l'encryption key, che non è mai salvata col file ma solo pubblicata con la sua file key.
Updatable Subspace Key
Le chiavi CHK sono utilizzate in parallelo con le SSK, per implementare l'indirezione:
- Inserire il file sotto la sua CHK
- Inserire la CHK in un file indiretto contenuto in una SSK
- La file key è ottenuta in due step.
Questo permette l'update dei files caricati, mantenendo la stessa SSK.
CHK + SSK = USK
Decentralized
Data
Storage
Gestione dei dati salvati
Ogni nodo della rete condivide spazio locale.
- Gestito come una cache LRU [Least Recently Used cache]
- Contiene dati e routing table del nodo
- L'utente non ha accesso diretto ai file contenuti nel suo spazio locale [data encryption]
- La quantità di spazio condiviso è configurabile dall'utente
LRU Cache
La Least Recently Used cache ordina i dati contenuti in base all'ordine temporale decrescente di ricevimento delle richieste. [insert,retrieve,update]
Questo significa che:
- I files più richiesti sono in cima alla coda.
- Se la capacità non è sufficiente per contenere un nuovo file, i file usati meno recentemente sono cancellati.
LRU Cache - Esempio
La sequenza di accesso è A,B,C,D,E,F. Il rank [priorità] dei files è il numero in parentesi.
LRU Cache: Note
- La cancellazione dei files utilizzati meno recentemente potrebbe rendere alcuni dati non disponibili
Per questo le entry nella routing table corrispondenti ai dati cancellati rimangono anche dopo la cancellazione.
- Il meccanismo di scadenza dei dati causa l'aggiornamento dei files vecchi, rimpiazzandoli con le nuove versioni in automatico.
Data Encryption
È necessario che gli operatori dei nodi non possano accedere ai dati contenuti nello spazio locale.
Questo è garantito dalla cifratura dei files.
- I files sono divisi in blocchi distribuiti a diversi nodi
- È possibile conoscere la file key ma non la encryption key a priori
Questo consente la plausible deniability per gli operatori dei nodi.
Ottenere un File
Utente manda la file key al proprio nodo. Ogni nodo, ricevuta una richiesta, controlla se la chiave è presente nel suo spazio locale.
- No: forward della richiesta al nodo contenente la chiave più vicina a quella cercata della sua forwarding table
- Sì: success, file mandato ai nodi upstream, ognuno dei quali fa caching di esso.
- HTL expired: failure propagato verso l'upstream, la ricerca si ferma
Ottenere un file
Ottenere un file: Note
- Una richiesta successiva per lo stesso file può essere soddisfatta dai nodi che hanno fatto caching
- La forwarding table non deve diventare un elenco di file sorgenti: Ogni nodo può decidere arbitrariamente di proclamarsi sorgente
- Se un nodo non può soddisfare una richiesta: messaggio di failure nella reply, il nodo upstream proverà con il secondo nodo più vicino [backtracking]
Ottenere un file: Note
- La qualità del routing migliora nel tempo, dato che i nodi si specializzano nel localizzare set di chiavi simili, e salvarli in cluster
- Il meccanismo replica in maniera trasparente dati popolari vicino ai nodi che li richiedono
- Un nodo che risponde con successo a più richieste riesce a scoprire una maggiore parte della rete (ma gli altri nodi non lo contattano più facilmente)
Ottenere un file
Small World
Network
Opennet e Darknet
Si può discriminare tra 2 tipi di reti P2P:
-
Light: comunicazione con qualunque nodo [Gnutella, Distributed Hash Tables, Opennet]
-
Dark: comunicazione sono con nodi fidati il cui indirizzo è conosciuto a priori. [Friend-to-friend network: Waste, Darknet]
Freenet è diviso in Opennet e Darknet, implementazioni light P2P e dark P2P del protocollo.
Il fenomeno del mondo piccolo
Identifica un network i cui nodi condividono le informazioni solo con altri nodi conosciuti. [fidati]
Simile al principio dei sei gradi di separazione tra esseri umani, ma:
- In una rete di nodi la conoscenza è tradotta come vicinanza o similarità [closeness].
In uno Small World Network, peer simili hanno maggiore probabilità di essere connessi.
SWN Routing
-
Peer vicini hanno maggiore probabilità di essere connessi
-
Applicazione del Greedy Routing: è possibile comunicare con qualunque peer mandando i messaggi al peer più vicino, ogni step.
Questo principio è utilizzato sia da DHT che da Freenet per fare routing dei pacchetti.
Il principio di Kleinberg
L'efficacia del routing negli Small World Network dipende dalla proporzione tra le connessioni che hanno diversa lunghezza e la posizione dei nodi. [John Kleinberg, 2000]
Significa: Il numero di connessioni con determinata lunghezza deve essere inversamente proporzionale alla lunghezza delle stesse.
Permette:
Complessità dell'algoritmo greedy O(\log^2N)
Posizione e Closeness
La posizione dei nodi non può essere determinata direttamente in un network anonimo come Darknet.
- Non si conoscono gli indirizzi dei nodi
- Non si conoscono le trusted connections dei nodi
- Le informazioni contenute dai nodi sono distribuite caoticamente, non essendoci un'autorità che assegna gli indirizzi.
Come si determina quale nodo è più vicino al peer che devo contattare?
Ottimizzazione del Network
- Assegnare ID numerici unici e casuali ai nodi
- Posizionarli casualmente in un grafo, connettendoli alle loro trusted connections
È un reverse engineering delle posizioni dei nodi in base alla loro connessioni. Fatto ciò:
- Ogni nodo scambia la propria posizione con gli altri, di modo da minimizzare il prodotto delle lunghezze degli edge del grafo [connessioni]
La rete determina la miglior posizione dei nodi.
SWN: Conclusioni
- La rete ottimizza le posizioni dei nodi di modo da minimizzare la lunghezza delle connessioni
- La rete così generata permette di raggiungere qualunque peer in un numero ragionevole di steps
- La vicinanza tra peer è il prodotto della lunghezza degli edge del grafo
- L'algoritmo di routing Greedy funziona se e solo se i nodi vicini hanno più probabilità di conoscersi. Questo rende l'ottimizzazione del network necessaria.
SWN: Simulazione
Si è simulata uno Small World Network con 3 algoritmi di ricerca:
- Random tra i nodi [Random]
- Ideal Greedy Routing (Kleinberg), i nodi sono già disposti in maniera ottima [Good]
- Restored Greedy Routing, i nodi sono riordinati da Darknet (2000 iterazioni per nodo). [Restored]
Numero di ricerche successful in log_2^2N steps.
La lunghezza media delle successful routes.
Conclusioni
Confronto di protocolli P2P
Freenet non è l'unico protocollo che tenta di proteggere l'anonimato dei suoi utenti.
A livello di userbase e maturità di progetto, si notano:
- Tor, basato sull'Onion routing
- I2P, basato sul Garlic routing (variante dell'Onion routing)
Entrambi si identificano piu' come proxy che come rete decentralizzata, a differenza di Freenet.
Freenet e Tor
| Freenet | Tor | |
|---|---|---|
| Protocollo decentralizzato | Sì | No* |
| Accesso a Internet (proxy) | No | Sì |
| Accesso a webserver anonimi | No | Sì |
| Salvataggio distribuito dei dati | Sì | No |
| Impossibilità di rimuovere i dati | Sì | No |
| È stato bloccato con successo | No** | Sì |
* Tor necessita di una directory authority che gestisca gli hidden services [webserver anonimi]. ** Relativo a Darknet