Bootstrapping decentralized overlay networks

Abstract

Denne masteroppgaven er en fortsettelse av det grunnarbeidet som ble gjort i den tidligere masteroppgaven av Fallang, hvor de fleste av de grunnleggende byggesteinene for et anonymt, desentralisert likemannsnettverk ble konstruert og evaluert. Til tross for sitt potensiale, var Fallangs prototype begrenset av behovet for en betydelig mengde manuelt arbeid og forhåndskunnskap blant brukerne for å opprette slike nettverk. I denne oppgaven fokuseres det på å utforske forskjellige tilnærminger til å “bootstrappe” nettverk, altså hvordan etablere og integrere nye brukere inn i et nettverk. Det ble laget en omfattende oversikt over utfordringene ved bootstrapping, og mye brukte løsninger er presentert. Disse ideene blir deretter brukt sammen med nye idéer for å eksperimentere med bootstrapping av Fallangs småskala desentraliserte likemannsnettverk som er laget på toppen av Tor nettverket.

Det har blitt utviklet to autonome bootstrapping-mekanismer: en som utnytter det nylig foreldede IPFS Publiser/Abonner-systemet, og den andre som bruker Tor sine “Onion tjenester”. Begge mekanismene bruker offentlige nøkkelsignaturalgoritmer for identifikasjon av brukere og lager et offentlig tilgjengelige kommunikasjonsgrensesnitt for hver bruker, samt automatiserer etableringen og opphørelsen av direkte forbindelser mellom brukere i nettverket. Den omfattende evalueringen basert på kriterier som ytelse, pålitelighet, design, sikkerhet og anonymitet viste at den Tor Onion-tjenestebaserte bootstrapperen overgår sin IPFS-motpart i de fleste aspekter. Dette antyder at den er egnet for småskala anonymitetsnettverk. Funnene fra denne oppgaven har implikasjoner for utrullingen, etableringen og effektiviteten av anonyme desentraliserte likemannsnettverk.

This master's thesis is a continuation of the groundwork established in a prior thesis by Fallang, where most of the fundamental building blocks for an anonymous, decentralized Peer-to-Peer (P2P) overlay network were constructed and evaluated. Despite its potential, Fallang's prototype was limited by its need for substantial manual input and prerequisite knowledge among users for effective network creation. In this thesis, the focus is on exploring different approaches to bootstrapping networks, meaning how to facilitate the incorporation of new users into a network. An extensive overview of the frequently encountered bootstrapping challenges is compiled, and potential solutions are presented. These ideas are then applied in combination with our own to experiment with bootstrapping the small-scale peer-to-peer decentralized overlay network created on top of Tor.

Two autonomous bootstrapping mechanisms are implemented: One utilizing the recently deprecated InterPlanetary File System (IPFS) Publish/Subscribe (Pub/Sub) system, and the other leveraging Tor Onion services. Both mechanisms utilize public key signing algorithms for peer identification. They also provide publicly accessible communication interfaces for each peer as well as automate the establishment and termination of direct connections between network peers. The comprehensive evaluation based on criteria such as performance, reliability, design, security, and anonymity revealed that the Tor Onion service-based bootstrapper outperforms its IPFS counterpart in most aspects. This suggests its suitability for small-scale anonymity networks. The finding from this thesis has implications for the ease of deployment and efficiency of anonymous decentralized P2P networks.