原文標題：MirageFlow: A New Bandwidth Inflation Attack on Tor
原文作者：Christoph Sendner, Jasper Stang, Alexandra Dmitrienko, Raveen Wijewickrama, Murtuza Jadliwala原文鏈接：https://dx.doi.org/10.14722/ndss.2024.241133發(fā)表會議：NDSS 2024筆記作者：王彥@安全學術圈主編：黃誠@安全學術圈編輯：張貝寧@安全學術圈
1 總體介紹
Tor作為日均200萬用戶的主流匿名通信網(wǎng)絡，長期面臨流量指紋與關聯(lián)攻擊的威脅。此類攻擊需吸引大量用戶流量至惡意中繼，通常依賴帶寬膨脹攻擊（通過虛報或操縱測量值提升中繼權重）。現(xiàn)有攻擊存在局限性：測量流量因使用2跳電路易被識別，攻擊者可通過丟棄用戶流量專供測量流量實現(xiàn)177倍膨脹，但未充分利用資源共享受限性。
Tor允許中繼節(jié)點共享物理資源（如單主機部署多虛擬機），且當前帶寬測量機制（如SBWS）存在關鍵弱點：1) 測量流量與常規(guī)流量模式差異明顯；2) 未防范資源共享受限帶來的測量干擾；3) 歷史方案（如TorFlow替代品PeerFlow、EigenSpeed）仍依賴易檢測的顯式測量流量或易受女巫攻擊。
本文方提出MirageFlow攻擊框架，核心在于利用攻擊者控制的中繼集群動態(tài)分配共享資源。貢獻包括：
- 提出兩種攻擊變體——C-MirageFlow（單服務器共駐中繼）和D-MirageFlow（多服務器共享網(wǎng)絡鏈路）；
- 在私有Tor測試網(wǎng)驗證攻擊有效性（C型近n倍/D型近n×N倍膨脹）；
- 分析現(xiàn)有帶寬測量方案（如3跳電路、FlashFlow）對MirageFlow的脆弱性；
- 揭示Tor網(wǎng)絡中潛在攻擊指標（如中繼家族共IP/同端口/同步帶寬）；
- 提出輕量級緩解措施（如共駐檢測、測量異常分析）。
2 背景知識
Tor 網(wǎng)絡中用戶通常通過三個中繼建立通信路徑，稱為 Guard（入口）、Middle（中間）、Exit（出口）。中繼節(jié)點由志愿者運行，性能和狀態(tài)信息通過目錄服務器（Directory Authority）每小時生成共識文件用于客戶端路徑選擇。中繼由志愿者運營，同一運營者可管理多個中繼并聲明為”家族”（同家族中繼不會被選入同一電路）。
為防止中繼虛假報告帶寬，Tor 使用 Bandwidth Authority（BA）進行主動測量，目前主要使用 Simple Bandwidth Scanner（SBWS）工具。該工具通過兩跳電路從目標中繼到出口中繼下載大文件來估算帶寬。由于這種測量方式易于識別，攻擊者可借此進行選擇性投機，專門優(yōu)化測量表現(xiàn)以提升被選概率。
惡意中繼可實時檢測BA的測量流量（已知BA IP地址），并在測量期間丟棄用戶流量，將全部資源用于測量流量以虛增帶寬。資源共享受限性（如多中繼共享主機或網(wǎng)絡鏈路）為MirageFlow提供了新攻擊面。
3 方案設計
MirageFlow 攻擊控制多個Tor中繼（進程/容器/VM），掌握多個公網(wǎng)IP地址，具備實時區(qū)分測量/用戶流量的能力（基于2跳電路特征或ML模型）。利用共享資源策略在多個中繼節(jié)點之間動態(tài)分配計算和網(wǎng)絡帶寬，在測量期間將全部資源集中至被測中繼上，可動態(tài)將測量流量導向高資源節(jié)點，用戶流量導向低資源節(jié)點或丟棄，該方法有兩個變體：
C-MirageFlow（共駐中繼攻擊）?在同一物理機上運行多個中繼進程，每個使用不同端口或 IP。通過監(jiān)聽測量流量特征（例如 BA 的 IP 地址），攻擊者可以即時識別測量過程，將所有資源用于該測量中繼，其他中繼則丟棄用戶流量。圖 1 展示了該結構，其中測量流量通過“流量分類器”定向至被測中繼。
D-MirageFlow（專用服務器攻擊）?則在更復雜的環(huán)境中運行，攻擊者控制多個服務器與一個網(wǎng)關路由器。測量流量被網(wǎng)關識別并轉發(fā)至高性能的“專用測量服務器”，其他流量由普通服務器處理或丟棄。如圖 2 所示，D-MirageFlow 能夠通過拓展服務器數(shù)量和每臺服務器的中繼數(shù)，線性放大帶寬膨脹效應。
這兩種方案都假設攻擊者能實時區(qū)分測量與用戶流量，將資源共享與現(xiàn)有技術（虛報帶寬、測量期丟包）結合，顯著提升膨脹效率并降低攻擊資源需求。圖1-2展示了攻擊架構的核心組件（流量分類器、資源池化、動態(tài)路由）。
4 實驗評估
本實驗基于Chutney構建私有Tor測試網(wǎng)（含3個DA、5個出口中繼、2個客戶端），使用VirtualBox限制帶寬（中繼VM:50MBps）。遵守Tor安全委員會要求，遵循道德評估規(guī)范，僅在私有 Tor 測試網(wǎng)絡中部署攻擊環(huán)境，避免對真實用戶產生影響。同時使用SBWS 測量帶寬，評估膨脹效果。。
在 C-MirageFlow 測試中，作者在同一 VM 中部署 5 個中繼進程，每次只服務一個被測中繼。結果如圖 4 所示，膨脹因子隨中繼數(shù)近似線性增長，達到原帶寬的 5 倍以上。
D-MirageFlow 測試使用三組中繼集群，每組 6 個中繼，共享一個路由器轉發(fā)測量流量至專用高性能服務器。如圖 5，三組共 18 個中繼共獲得 204 MBps 的虛假帶寬測量值，效果優(yōu)于 C-MirageFlow，并且部署成本更低。
研究定義了巧合率（即集群內多中繼被同時測量的概率），通過對真實Tor網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分析（聚焦包含120個中繼的”Artikel10″家族）揭示關鍵規(guī)律。基于帶寬文件僅含測量結束時間戳的限制，研究通過模擬時間線重建共測事件（圖6）。結果顯示（圖7a-c）：當集群規(guī)模≤30時，3個及以上中繼共測概率可忽略（低至0.014%）；即使擴大至120中繼，雙中繼共測概率峰值僅27.91%，而獨立測量占比仍達59.17%。膨脹因子隨規(guī)模增大呈非線性衰減（120中繼時降至92.52），但小規(guī)模集群（n=10/20/30）仍保持近線性增長趨勢（9.91/19.16/28.03倍），證實小集群可實現(xiàn)高效攻擊。
為驗證3跳電路的防御有效性，研究構建了級聯(lián)檢測模型（SA-CNN+SVM）。該模型僅需分析流量中前5個數(shù)據(jù)包頭部（圖8），即可實時區(qū)分3跳電路中的測量流量。性能測試表明（圖9）：模型F1分數(shù)超過99%，推理時延低于0.5ms。此結果徹底否定了”增加測量跳數(shù)可防御攻擊”的假設，證明即使采用3跳電路，攻擊者仍可基于流量模式特征實現(xiàn)毫秒級精準檢測。
通過擬合膨脹因子曲線，量化了攻擊規(guī)模與效益的關系。以控制50% Tor流量（678 Gbit/s）為例：僅需10臺服務器，每臺部署109個中繼并提供100MB/s帶寬。資源需求呈非線性增長——控制75%流量需2,034 Gbit/s帶寬，揭示過半控制后邊際效益下降的特性。
5 結論
MirageFlow通過動態(tài)分配中繼集群的共享資源，顯著提升Tor帶寬膨脹攻擊效率。C-MirageFlow和D-MirageFlow分別實現(xiàn)近n倍和n×N/2倍膨脹，理論證明僅需10臺服務器即可控制Tor網(wǎng)絡50%流量。現(xiàn)有防御方案（如3跳測量、FlashFlow）仍易被ML技術或流量調度繞過。緩解需結合共駐檢測（分析IP/端口/運行時間同步性）、測量異常監(jiān)控（識別共測帶寬驟降），最終方向是消除顯式測量流量（如基于用戶流量的分布式估測）。本文呼吁設計抗膨脹的帶寬測量新機制。
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