“洋葱头”路由安全性分析与改进
---不让你的IP被追踪的信息交流平台TOR系统
Jack zhai
一、问题提出
美国人运营的TOR系统，是一个隐匿源IP地址的信息交流平台，可以提供了很强的反跟踪能力。其原理是建立一个转发服务器矩阵，采用“洋葱头”式路由，服务节点按需逐层剥开，使得监管者无法将虚拟账户与现实网络连接者关联起来。这个方案在如下的条件具备情况下，成为一个不错的共用的隐匿者信息沟通平台。
1、用户数量足够多：路径是临时设定的，监控者只有在用户发布信息的连接时间内可以反向跟踪，一旦用户下线，或调整路径，跟踪线索就马上断了。因此，当用户数量足够大时，无异于大海捞针；
2、 服务矩阵是来自多方管理的服务器群，每个服务节点严格遵守TOR安全法则：
只拨开洋葱的一层，只发现下一跳的路由即可；
将数据包的源IP，改为自己的IP；
双向连接时，仅记录上下一跳的IP，为了连接断开前的数据转发使用。连接结束时，删除该连接的全部信息，即不存储连接日志；
发现来的数据包源IP不是上一跳的IP地址时，说明上一跳节点“违规”，此时的做法应该是，中断连接，丢弃该数据包；
其实，美国人的TOR系统也没有达到上诉条件的全部，安全法则的第三条就有待考证，第四条应该不具备。美国的TOR系统是由一家第三方非营利机构运营，很神秘，独立性如何，需要考证。
最近有一些报道：NSA已经可以有能力破译TOR系统，也确实有报道，破获了一些利用TOR系统的案件。有文章分析说，TOR系统从诞生时起，就与美国政府与军方有千丝万缕的联系…我对这一点还是有怀疑的。美国人做事是不含蓄的，要是有如此“技术基础”，或者可以“直接操作”，应该不会对TOR上边很多事情“没办法”，也不会在破获那些案件时，那么大费周折。
接下来，我从技术角度，分析一下基于洋葱头路由的TOR系统的一些安全隐患。
二、对洋葱头路由的反跟踪能力分析
洋葱头路由的原理是多层加密，每个节点只能解开一层，既不知道信息的原始来源，也不知道信息的最终目的地，更加不知道信息的实际内容(洋葱的最里层)。洋葱头路由转发如下图：
每个服务节点在遵守TOR安全法则的情况下，TOR系统的反追踪能力还应该注意两个边界条件：
1、服务节点数量必须大于三：因为服务节点可以知道它的上一跳与下一条，节点数目为三时，就可以直接看到全部路径了；
2、 连接路径必须动态生成：路径不确定，包括起始节点与最后节点，路径是一次性使用，它限定了追踪时间只能在用户连接的这段时间内；
反过来，我们再分析一下，如何追踪TOR系统。
追踪者的办法是从两头开始的：
1、 用户登录点：这里有用户的注册信息，以及用户实际连接的源IP地址，当然你不知道哪些话是他说的，与虚拟账户不对应；正向追踪的方式是：利用用户源IP，跟踪到连接的第一个节点，查询服务节点的连接链表，发现下一跳IP，再逐步进行路径前进；
2、 代理服务点：这里是洋葱拨开的时候，知道了用户发布的实际内容，是否是监控者关注的，一目了然，但如何追踪到发布者呢？反向追踪的方式是：利用虚拟账户的源IP，跟踪到路径的最后一个节点，查询服务节点的连接链表，发现上一跳IP，再逐步进行路径回溯；
从上面的分析中，我们可以发现，追踪的关键点有两个：
1、服务节点的连接链表是可查的：无论正向、还是反向路由追踪都是依据服务节点中记录了上、跳的IP。虽然TOR安全法则中要求清除该信息，但作为转发实现与效率的要求，暂存或存储该信息一段时间是可能的。只要有这个列表，查询它只是权限的问题；要解决这个问题隐患，主要是靠代码开发者的“自律”了。
2、 路径是可追踪的：可追踪是因为连接列表中路径的出口是唯一的或是可确定的，追踪者可以直接定位追踪的下一个IP，有了IP就可以定位服务节点，当IP地址出现在用户登录的列表中，或者是代理服务的IP时，就完成了路径的追踪；要解决这个问题，可以在路径的定义上花些功夫。
三、对洋葱头路由反跟踪的一些改进设想
对于系统的建设者来说，代码的选择是静态的，选定后，就不会轻易改变的；运营方不提供服务节点内的数据，保护用户隐私的能力也只是相对的。作为一个TOR系统的用户来说，能够自己掌控的，就只有在路径上想办法了。
最容易想到的，就是增加路径的长度，路径越长，追踪的难度越大。当然，路径长，延迟就大幅度增大，更为要命的是，若服务节点是“临时”服务的，你连接时，有一个节点动态退出，路径就断了，发布就需要重来，连接的时间可能是指数级增长。若是双向实时通信，路径过长的灾难就更大了。因此，路径的长度最好在10个节点之内。
本文提供的技术改进有两个设想：
1、循环重复路径：
路径中有循环重复的路径，就会在连接列表中有重复的出口。追踪者在同来源，不同出口的路径中，不知道该选择哪一个。从洋葱头路由的设计来看，循环重复路径不会影响正常转发，因为他们处在不同的洋葱层上，解密出的下一跳是唯一的。
节点1：上一跳有两个，下一跳是一个，对反向追踪时，选择不对就会循环往复；
节点2：上一跳是一个，下一跳有两个，在正向追踪时，选择不对也会循环往复。
2、黑洞路径：
诱惑追踪者走入“死胡同”，就是所谓的黑洞路径。其具体的实现是这样的：连接时，发送两种数据包，一个是黑洞路径引导，数据是随机的；一个是正常路径，数据是要发布的。
图中的黑洞路径在转向节点处，两种数据路包开始分离，正向追踪者无法区分那条路径是正确的。当黑洞路径采用不只一条时，追踪者要么碰运气地选择一条，要么采用回溯遍历的算法了。
无论是循环重复路径，还是黑洞路径，目的都是增加追踪者的复杂度，延长他的跟踪时间。实际使用中，我们可以把两种技术一起使用，既有循环，又有黑洞，建立一个路径的“迷宫”，让追踪者在里面“兜圈子”。
四、小结
TOR系统是隐匿用户源IP，对抗追踪者的探索之一，技术上的可行性只是安全保障的一部分，这里也只是从洋葱头路由转发原理的角度进行的分析与改进；管理上的非集中式管理也是必须的，最好是大量利用“民间”爱好者的服务站作为动态服务节点，是躲避追踪的最好方法。
隐匿源IP不仅是黑市交易，一些敏感资料的查询者也常常使用。很多公共的查询平台目前都在采用大数据统计，对经常对敏感信息、特殊技术搜索的源IP进行统计追踪，一旦成为跟踪对象，你查询的信息结果就有待评估了(可能被有意屏蔽或篡改)。
另外，随着人们对安全意识到加强，很多网站也采用访问者大数据统计分析，对一些安全部门的监管IP、检索网站IP、第三方评价的爬虫IP等，进行特殊处理，导致信息的失衡。
因此，建立中国自己的TOR平台，提供公众服务，从长期来看是必须的。
