Laboratorní úloha č. 11

Úvod

Cílem této laboratorní úlohy je seznámit studenty s využitím anonymizačních sítí, jejich významem v oblasti ochrany soukromí a bezpečnosti online komunikace a objasnit jim základní principy jejich fungování. Hlavní pozornost bude věnována anonymizační síti Tor (z angl. The Onion Routing), která pro zajištění důvěrnosti, anonymity uživatelů a utajení komunikace mezi účastníky využívá techniku tzv. „cibulového“ směrování (onion routing). V rámci této úlohy budou vysvětleny základní principy fungování a účel anonymizačních sítí, představen bude hlavní koncept celosvětově známé anonymizační sítě Tor a objasněno bude také použití vrstevnatého směrování v tomto typu sítí.

V praktické části se studenti budou věnovat instalaci a konfiguraci nástroje Tor v prostředí Kali Linux, prohlížení internetu prostřednictvím sítě Tor a analýze síťové komunikace pomocí nástroje Wireshark. Studenti tak získají praktické dovednosti v oblasti anonymizace internetové komunikace a naučí se analyzovat tok dat v prostředí anonymizačních sítí.

Teoretický úvod

V této laboratorní úloze zaměřené na problematiku anonymizačních sítí se seznámíte se základními principy jejich fungování, základní strukturou a také s procesem tzv. vícevrstvového („cibulového“) šifrování, který je typický právě pro dosažení anonymity koncových zařízení komunikujících prostřednictvím anonymizačních sítí.

Anonymizační sítě

Anonymizační sítě představují pokročilé bezpečnostní technologie navržené a používané za účelem ochrany identity uživatelů a jejich soukromí v digitálním prostředí současných počítačových sítí. Jedná se o speciální typy sítí určené k ochraně identity a polohy uživatelů, které prostřednictvím šifrování informací obsažených v přenášených datových jednotkách umožňují anonymní prohlížení internetu, resp. komunikaci, a tím i skrytí identity přistupujících uživatelů (resp. zařízení) napříč rozsáhlým konglomerátem vzájemně propojených sítí. Jejich cílem je minimalizovat možnost sledování zdrojové IP adresy, lokalizace či jiných identifikačních údajů uživatele.

Mezi nejznámější anonymizační sítě patří například Tor, I2P, Freenet a i. V tomto úkolu bude největší pozornost věnována především anonymizační síti Tor (The Onion Router).

Tor (The Onion Router)

Tor je projekt vyvíjený s cílem poskytnout uživatelům internetu možnosti anonymního vystupování a komunikace v digitálním prostředí. Je založen na princípu tzv. „cibulového“ směrování (onion routing), kdy komunikace mezi klientem a cílovým serverem probíhá přes sérii náhodně vybraných zprostředkovatelů nazývaných „Tor relé“ (typicky se jedná o mezilehlé směrovače na přenosové trase). Každý takovýto mezilehlý uzel zná pouze bezprostředně předcházející a následující bod komunikace, díky čemuž je znemožněno sledování průběhu celé komunikace, včetně informací o koncových bodech.

Anonymizační síť Tor je navržena tak, aby bylo možné:

• zajistit anonymitu klienta vůči cílové službě,
• například v případě tzv. skrytých služeb zajistit také anonymitu cíle vůči klientovi,
• zabránit třetím stranám (např. poskytovatelům internetového připojení, provozovatelům Wi-Fi sítí apod.) získat přehled o tom, jaké stránky uživatel navštěvuje nebo s kým v síti komunikuje.

Architektura sítě Tor

Pro další popis a vysvětlení principů tzv. „cibulového“ směrování jsou důležité dva základní pojmy: vrstvy a uzly. Při směrování datových jednotek (tzv. buněk) směrem k adresátovi s využitím „cibulového“ směrování každý mezilehlý uzel zapojený do komunikace dešifruje pouze jednu „vrstvu“ aplikovaného šifrování. Po dešifrování, tj. odstranění vnější vrstvy, se odhalí následující adresa na trase k příjemci datové jednotky, ostatní zůstávají stále chráněny, ukryty šifrováním. To představuje základní mechanismus zajištění anonymity uživatelů (resp. jednotlivých uzlů, zařízení).


Typická síť Tor se skládá z následujících základních komponent (uzlů):

• Tor klient – aplikační rozhraní na straně uživatele využívající možnosti anonymního prohlížení, typicky ve formě Tor prohlížeče nebo systémového démona tor,
• Tor smerovače (Tor relays, onion routers) – mezilehlé uzly (zpravidla směrovače), jejichž úkolem je směrování datových jednotek (buněk) v Tor síti. Rozlišujeme:
  • vstupní uzel (Entry Node) – první bod (uzel) v komunikační síti, kde poprvé dochází k šifrování přenášených dat,
  • relé uzly (Relay Nodes) – mezilehlé Tyto mezilehlé relay uzly sú jsou zprostředkovateli přenosu šifrované datové komunikace mezi odesílatelem a příjemcem využívajícím anonymizační síť Tor. uzly, které přenášejí šifrovaná data, resp. je postupně (de)šifrují pomocí svých šifrovacích a dešifrovacích klíčů,
  • výstupní uzel (Exit Node) – poslední bod v síti, kde jsou data dešifrována a odeslána na cílovou adresu (příjemci),
• adresářové servery – centrální uzly, které spravují seznam důvěryhodných Tor směrovačů a poskytují informace o dostupných uzlech ostatním prvkům v síti Tor.

Princip šifrování v anonymizační síti

Mechanismy sítě Tor pro zajištění anonymity uživatelů jsou aplikovány na úrovni síťové vrstvy, jak ji známe z TCP/IP modelu. Celková architektura sítě Tor se skládá z následujících vrstev:

• Linková vrstva – je realizována prostřednictvím TLS spojení mezi jednotlivými prvky sítě Tor, kde protokol TLS hraje zásadní roli při autentizaci prvků a ochraně důvěrnosti a integrity přenosu. Každý individuální úsek komunikace mezi dvěma sousedními uzly (např. klient ↔ OR1) je zabezpečen samostatným TLS tunelem.
• Síťová vrstva – je realizována protokolem Tor, který zajišťuje vytváření, přenos a směrování buněk, včetně jejich šifrování.
• Transportní vrstva – za účelem spolehlivosti přenosu a možnosti šifrování pomocí TLS využívá spojově orientovaný a spolehlivý protokol TCP.
• Aplikační vrstva – tvořena klientskými aplikacemi na straně koncového uživatele, které využívají transportní protokol TCP (např. HTTP, FTP).

V síti Tor probíhá komunikace ve formě buněk (cells), které představují základní jednotku přenosu dat mezi klientem a uzly v síti. Každá buňka má pevně danou velikost 512 bajtů. Neměnná velikost buněk umožňuje minimalizovat možnost analýzy komunikace na základě velikosti přenášených datových jednotek. Všechny zprávy, bez ohledu na jejich skutečný obsah nebo délku, jsou proto zapouzdřeny do stejně velkých buněk, čímž se snižuje riziko, že by pozorovatel (typicky útočník) mohl identifikovat vzorce komunikace nebo konkrétní typ dat.

Buňky Tor lze podle účelu jejich použití rozdělit na několik typů, například:

• Buňky typu CREATE a CREATED slouží k vytváření šifrovaného okruhu mezi klientem a jednotlivými uzly (resp. mezi dvojicí sousedních uzlů v síti Tor.
• Buňky označené jako RELAY, RELAY_EXTEND, RELAY_DATA apod. slouží k přenosu šifrovaných dat přes jednotlivé uzly v rámci okruhu.
• K ukončení okruhu se používá buňka typu DESTROY, která signalizuje, že daný komunikační okruh má být okamžitě zrušen a všechny navázané šifrovací klíče zneplatněny.

Každá buňka Tor má pevně definovaný formát a obsahuje více polí, která slouží k identifikaci, správě přenosu a samotnému přenosu dat. Přesný obsah buňky se může mírně lišit v závislosti na jejím typu. Struktura standardní buňky Tor je znázorněna na obrázku, význam jednotlivých polí je následující:

• Circiut ID – identifikátor okruhu, ke kterému buňka náleží. Umožňuje multiplexování více okruhů přes jedno TCP spojení.
• Command – určuje typ buňky (napr. CREATE, RELAY, DESTROY, atď.).
• Payload – tělo buňky, které je během přenosu v síti Tor šifrováno. Jeho obsah se liší podle konkrétního typu buňky.

Vytváření okruhů a princip cibulového směrování v síti Tor

Klíčovým mechanismem pro zajištění anonymity je vytváření tzv. okruhů (circuits) a používání techniky vícevrstvového šifrování, známé jako onion routing.

Tor vytváří mezi klientem a cílovým serverem vícevrstvový (tzv.  „cibulový“ Označení je převzato z překladu angl. slova onion, které značí cibuli. Princip šifrování, resp. dešifrování paketů odesílaných přes Tor síť se podobá vrstvení cibule – a právě na základě této podobnosti byl vytvořen i její název. ) šifrovaný kanál, prostřednictvím kterého jsou data, resp. datové pakety přesměrovány přes několik náhodně vybraných uzlů v síti Tor. Jednotlivé uzly znají pouze odesílatele a příjemce své části trasy, nemají znalost o jiných uzlech, které byly nebo budou zapojeny do celé komunikace potřebné k doručení dané datové jednotky (buňky) od jejího odesílatele až k vybranému příjemci, což zajišťuje anonymitu..
Proces vytváření okruhu probíhá v několika etapách:

1. Výběr uzlů: klient si ze zveřejněného seznamu náhodně vybere vhodné uzly Tor. Výběr probíhá podle specifických pravidel – například vstupní uzly musí být stabilní a důvěryhodné.


2. Dohoda na klíčích: pomocí protokolu podobného výměně klíčů podle Diffie-Hellmana si klient postupně vytvoří s každým uzlem samostatný šifrovací klíč. Všechny tyto výměny probíhají přes vstupní uzel, přičemž klient navazuje spojení s dalšími uzly „skrze“ předchozí (šifrovaně).


3. Postupné rozšíření okruhu: nejprve se vytvoří šifrované spojení klienta se vstupním uzlem (pomocí buněk CREATE a CREATED), následně se přes tento uzel vytvoří šifrovaný tunel postupně ke všem dalším uzlům až nakonec k výstupnímu uzlu.

Takto vytvořený okruh slouží jako trasa, po které jsou dále přenášena šifrovaná data.

Po vytvoření kompletního okruhu od odesílatele až k cílovému příjemci je možné zahájit přenos dat, který je podroben „cibulovému směrování“. Mechanismus tohoto vícevrstvového šifrování funguje následovně:

1. Klient si nejprve připraví datovou jednotku (např. požadavek HTTP), kterou chce doručit na cílový server


2. Tuto jednotku následně vícekrát šifruje – každá vrstva šifrování je určena jednomu uzlu v pořadí od výstupního po vstupní:
   • nejprve pro výstupní uzel (vnitřní vrstva),
   • poté pro prostřední uzel (resp. uzly),
   • nakonec pro vstupní uzel (vnější vrstva).
   
   
3. Když šifrovaná zpráva dorazí do vstupního uzlu, ten v procesu dešifrování odstraní pouze svou vrstvu (vnější) a odešle její obsah, který je zašifrován pomocí klíče pro další mezilehlý uzel v pořadí, dále směrem k tomuto uzlu ve vytvořeném okruhu.


4. Následující uzel opět odstraní jen svou vrstvu šifrování a odešle šifrovaná data dále.


5. Tento proces se opakuje, dokud buňka nedorazí k výstupnímu uzlu. Ten dešifruje poslední vrstvu a odešle původní požadavek vytvořený klientem, resp. odesílatelem, na cílový server na internetu (např. webovou stránku).


6. Při zpětné odpovědi se postupuje obdobně, pouze s tím rozdílem, že jednotlivé šifrovací klíče jsou aplikovány při vytváření vrstev v opačném pořadí – výstupní uzel odpověď zašifruje a pošle zpět přes tentýž okruh, přičemž každý uzel dešifruje pouze svou část, až se odpověď dostane zpět k původnímu klientovi.

Aplikace vícevrstvového šifrování na přenášená data je schematicky znázorněna na následujícím obrázku. Popsaný mechanismus zajišťuje, že žádný z uzlů nemá úplnou znalost o celé komunikaci. Vstupní uzel zná IP adresu klienta, ale ne cílový server. Výstupní uzel naopak zná cíl, ale ne klienta. Všechny mezilehlé uzly znají pouze své bezprostřední sousedy.

Výhody a riziká anonymizačných sietí

Použité nástroje

Tor v Kali Linux

Tor představuje jednoduchý softwarový nástroj umožňující anonymní prohlížení internetu přes síť Tor. Vytvoření, resp. simulaci vlastní anonymizační sítě založené na využití služby Tor lze realizovat i v prostředí systému Kali Linux, a to její instalací přímo prostřednictvím příkazového řádku (terminálu) pomocí příkazů:

Po úspěšné instalaci následuje spuštění služby Tor:

Ověření, zda je služba aktivní, lze provést příkazem:

Pro ověření připojení k síti Tor lze použít např. níže uvedený příkaz:

Uvedený příkaz spustí odeslání jednoduché HTTP GET požadavky na stránku https://check.torproject.org přes vytvořenou Tor síť.

Po odeslání požadavku server check.torproject.org analyzuje vaši IP adresu a vrátí odpověď, zda komunikace probíhá přes Tor. Pokud je použití sítě Tor správně nastaveno, v terminálu se zobrazí hláška:

"Congratulations. This browser is configured to use Tor."

Tor Browser

Jedná se o upravenou verzi webového prohlížeče nakonfigurovanou pro anonymní používání s využitím sítě Tor za účelem zajištění soukromí a anonymity uživatelů v online prostředí. Tor Browser je navržen tak, aby bylo možné skrýt nejen samotnou identitu uživatele, ale také jeho polohu a aktivitu na internetu.

Tor Browser realizuje šifrování přenášených uživatelských dat v několika vrstvách. Datové přenosy jsou kompletně šifrovány a odesílány přes síť Tor, která se skládá z velkého množství (typicky tisíců) relay uzlů zprostředkujících přenos zabezpečené šifrované komunikace. Každý relay uzel na cestě přenosu dat směrem k příjemci vždy dešifruje pouze jednu (vnější) vrstvu, díky čemuž nikdy nezíská úplnou, kompletní informaci o daném přenosu, a anonymita komunikujících stran tak zůstává zachována.

Wireshark

Wireshark je síťový analyzátor, který umožňuje sledovat datové přenosy. V případě sítě Tor je možné zachytit šifrované pakety a analyzovat jejich strukturu, avšak jejich obsah zůstává chráněn šifrováním.

Použití nástroje Wireshark jste si prakticky vyzkoušeli již v rámci několika předchozích laboratorních úloh, a proto jeho podrobnější popis nebude dále uváděn.

Praktická část

V rámci praktické části úlohy si vyzkoušíte anonymní prohlížení prostřednictvím anonymizačního webového prohlížeče Tor Browser. Následně budete analyzovat zachycený tok dat v anonymizační síti pomocí nástroje Wireshark, na základě čehož získáte přehled o výhodách, nevýhodách a rizicích spojených s použitím prostředků pro anonymizaci v dnešních počítačových sítích.

Topologie virtuální sítě a nastavení virtuálních strojů

Vytvořená síť bude sestávat ze tří virtuálních strojů:

• klient pro anonymní prohlížení a přístup na internet přes síť Tor,
• klient II → simulace klasického připojení, tj. běžné připojení bez použití Tor,
  (využití v části Samostatný úkol)
  


• monitorovací zařízení, které bude sloužit pro účely sledování a následné analýzy probíhající komunikace v síti.

Síťová konfigurace:

• Tor klient (VM1): 192.168.126.129
• klient II (VM2): 192.168.126.130
• monitorovací zařízení (VM3): 192.168.126.131

Seznámení se s použitými nástroji

Přehled základních příkazů pro jednotlivé používané nástroje

Uvedení základních příkazů pro práci se službou Tor na klientském zařízení a pro instalaci a následné použití prohlížeče Tor Browser pro anonymní prohlížení internetu bylo součástí teoretického úvodu, a z tohoto důvodu se jejich opakovaný přehled dále neuvádí. Všechny potřebné příkazy budou uvedeny následně v praktické části v jednotlivých krocích pro vypracování laboratorního úkolu.

Použití Wiresharku pro analýzu komunikace přes síť Tor

V rámci analýzy zaznamenané komunikace je vhodné použít filtr:

Postup pro vypracování laboratorní úlohy

A) Příprava prostředí

Spuštění virtuálních strojů

• Otevřete VMware Workstation Pro (zástupce na ploše).
• Postupně spusťte všechny tři virtuální stroje s Kali Linux.
• Zkontrolujte, že všechny VMs jsou připojeny ke stejné virtuální síti (nastavení např. NAT nebo Host-Only).
• Přihlaste se do prostředí Kali Linux na všech VMs.

Přihlašovací údaje:

• Zkontrolujte síťovou konektivitu mezi stroji (pomocí příkazu ping).

B) Příprava klienta pro využití anonymizované sítě

Instalace Tor na klientském VM

• Na jednom z VM, který bude v simulované síti zastávat roli klienta, otevřete terminál kliknutím na ikonu umístěnou v záhlaví hlavního pracovního okna nebo v menu zvolte Applications > System Tools > Terminal). Otevře se okno s příkazovým řádkem.


• Aktualizujte balíčky Kali Linux příkazem:
  sudo apt update && sudo apt upgrade -y


• Pomocí následujících příkazů nainstalujte službu Tor:
  sudo apt update
  sudo apt install tor
  Po úspěšné instalaci běží služba Tor automaticky na pozadí systému.

Instalace Tor Browseru

• Stáhněte instalační balíček Tor Browser ze stránek projektu:
  sudo apt install torbrowser-launcher -y
• Po stažení spusťte Tor Browser zadáním níže uvedeného příkazu do terminálu (nebo v menu: Applications → Internet → Tor Browser Launcher):
  torbrowser-launcher
• Po spuštění akceptujte podmínky, potvrďte a nechte proběhnout aktualizaci, pokud je dostupná, a následně klikněte na Connect.


• Po úspěšném připojení se otevře anonymní prohlížecí okno, což značí, že Tor Browser je připraven k anonymnímu prohlížení.

Připojení k síti Tor a ověření funkčnosti

• Po spuštění Tor Browseru by se měla automaticky otevřít stránka https://check.torproject.org/, jak je zobrazeno na obr. 7 .
• V případě úspěšného připojení se zobrazí hláška:
  "Congratulations. This browser is configured to use Tor."


• Pokud nedojde k automatickému načtení stránky, zkuste kliknout na možnost Connect nebo restartujte Tor Browser.

C) Sledování síťového provozu

Sledování příchozí komunikace ve Wiresharku na VM3

• Přejděte na VM3.
• Otevřete nové terminálové okno a spusťte nástroj Wireshark:
  sudo wireshark &
• Vyberte správné síťové rozhraní (např. eth0).


• Aplikujte vhodný filtr pro zachytávání komunikace probíhající přes síť Tor, např.:
  tcp.port == 9001 || tcp.port == 443
• Spusťte zachytávání síťové komunikace na zvoleném rozhraní kliknutím na Start Capturing.


• V běžícím Tor Browseru na klientovi (VM1) se pokuste přistoupit na webovou stránku https://whatismyipaddress.com a sledujte průběh zaznamenané komunikace ve Wiresharku na monitorovacím zařízení (VM3). Zaznamenejte si IP adresu zobrazenu stránkou.


• Výsledkem by měl být záznam komunikace, ve kterém lze pozorovat velké množství TCP spojení, avšak nebude možné dále analyzovat přenášený obsah, a to konkrétně HTTP/HTTPS požadavky v čitelné podobě, jelikož se jedná o šifrovaný přenos skrze vytvořenou síť Tor. Věnujte pozornost velikosti datových jednotek.
Pozn.: standardní velikost Tor buňky je 512 B. Tato buňka je však následně zapouzdřena do TLS záznamu (TLS record), který kromě datové části (= Tor buňky) obsahuje i další řídicí informace. Z tohoto důvodu je možné vidět v záznamu komunikace jinou velikost datové jednotky (např. 590 B), důležitá je však její neměnnost v průběhu komunikace.

• K ověření informací o přidělené IP adrese použijte službu whois a analyzujte zjištěné informace:
  whois 193.189.100.201
  Při zadávání příkazu do terminálového okna použijte IP adresu přidělenou vašemu klientovi na VM1.
  


• IP adresa, kterou uvidíte na stránce jako např. whatismyipaddress.com, je IP adresa výstupního Tor uzlu, který kontaktuje cílový server na konci vytvořeného Tor okruhu. Cílový server tak nemá povědomí o tom, jaký konkrétní klient jej svým požadavkem kontaktoval, což názorně demonstruje způsob, jakým Tor umožňuje zajistit anonymitu klientů.

• Po zjištění IP adresy klienta s Tor (např. pomocí whatismyipaddress.com nebo z výpisu ve Wiresharku) ověřte, zda tato přidělená IP adresa skutečně náleží některému z výstupních uzlů sítě Tor pomocí některé z následujících stránek:
  • https://www.dan.me.uk/tornodes – webová stránka poskytuje aktuální seznam výstupních (exit) uzlů sítě Tor včetně jejich IP adres, portů a zemí. Nabízí možnosti filtrování a vyhledávání konkrétních adres.
  
  
  • https://www.netify.ai/resources/tor – webová stránka obsahuje podrobné informace o síti Tor, včetně její struktury, identifikace provozu a aktuálního seznamu výstupních uzlů.


• Pokud se přidělená IP adresa nachází v některém ze seznamů, jedná se skutečně o výstupní uzel (exit node). Všimněte si také dalších údajů, jako jsou země, port a název sítě. Tyto informace si zaznamenejte a porovnejte s výsledkem získaným pomocí služby whois.


• Otestujte funkčnost připojení na .onion adresu prostřednictvím prohlížeče Tor Browser – tyto adresy představují speciální domény určené pro webové služby dostupné pouze prostřednictvím anonymizované sítě Tor. Zajišťují anonymitu nejen uživatele, ale také cílového serveru. Jejich cílem je skrýt fyzické umístění služby a znemožnit běžné sledování provozu. V prohlížeči na klientovi s Tor (VM1) otevřete následující odkaz: DuckDuckGo pre Tor (.onion verze)
Jedná se o speciální verzi vyhledávače DuckDuckGo pro síť Tor. Vyzkoušejte vyhledat klíčové slovo "Tor exit node" a sledujte, zda se načítají výsledky. Můžete také porovnat rychlost, strukturu a vzhled stránky se standardní verzí DuckDuckGo.

Samostatný úkol

V závěrečné části laboratorního úkolu provedete porovnání šifrované komunikace, resp. přenosu datových jednotek standardním způsobem (tj. s využitím aplikačního protokolu HTTPS) a prostřednictvím sítě Tor. Na základě analýzy datové komunikace ve Wiresharku porovnáte rozdíly mezi uvedenými způsoby datového přenosu.

Závěr

V tomto laboratorním úkolu jste se seznámili se základními principy fungování anonymizačních sítí a jejich významem pro ochranu soukromí a zachování anonymity uživatelů při komunikaci na internetu.

Prakticky jste si vyzkoušeli instalaci Tor klienta v systému Kali Linux a také použití prohlížeče Tor Browser speciálně přizpůsobeného pro anonymní prohlížení, navázání spojení přes síť Tor a rovněž anonymní prohlížení internetu. Součástí úkolu byla také analýza zachycené komunikace pomocí nástroje Wireshark, kde jste mohli sledovat fázi navazování spojení (handshake) se sítí Tor a následné šifrované přenosy dat. V rámci samostatného úkolu jste dále provedli porovnání průběhu šifrované komunikace prostřednictvím protokolu HTTPS a komunikace odesílané právě přes anonymizační síť Tor a sledovali významné rozdíly porovnáním obou uvedených přístupů. Při vzájemném porovnání jste rovněž provedli měření přenosových parametrů, během kterého jste mohli pozorovat delší dobu odezvy a nižší přenosové rychlosti při použití Tor.

Seznam literatury

Kompletní seznam použitých zdrojů naleznete na samostatné stránce: Seznam literatury