A covert communications network (CCN) is a connected, overlay peer-to-peer network used to support communications within a group in which the survival of the group depends on the confidentiality and anonymity of communications, on concealment of participation in the network to both other members of the group and external eavesdroppers, and finally on resilience against disconnection. In this dissertation, we describe the challenges and requirements for such a system. We consider the topologies of resilient covert communications networks that: (1) minimize the impact on the network in the event of a subverted node; and (2) maximize the connectivity of the survivor network with the removal of the subverted node and its closed neighborhood. We analyze the properties of resilient covert networks, propose measurements for determining the suitability of a topology for use in a covert communication network, and determine the properties of an optimal covert network topology. We analyze multiple topologies and identify two constructions that are capable of generating optimal topologies. We then extend these constructions to produce near-optimal topologies that can “grow” as new nodes join the network. We also address protocols for membership management and routing. Finally, we describe the architecture of a prototype system for instantiating a CCN.

Informational privacy of individuals has significantly gained importance after information technology has become widely deployed. Data, once digitalised, can be copied, distributed, and long-term stored at negligible costs. This has dramatic consequences for individuals that leave traces in the form of personal data whenever they interact with information technology, for instance, computers and phones; or even when information technology is recording the personal data of aware or unaware individuals. The right of individuals for informational privacy, in particular to control the flow and use of their personal data, is easily undermined by those controlling the information technology. The objective of this thesis is to study the measurement of informational privacy with a particular focus on scenarios where an individual discloses personal data to a second party which uses this data for re-identifying the individual within a set of other individuals. We contribute with privacy metrics for several instances of this scenario in the publications included in this thesis, most notably one which adds a time dimension to the scenario for modelling the effects of the time passed between data disclosure and usage. The result is a new framework for inter-temporal privacy metrics.

Informational privacy of individuals has significantly gained importance after information technology has become widely deployed. Data, once digitalised, can be copied and distributed at negligible costs. This has dramatic consequences for individuals that leave traces in form of personal data whenever they interact with information technology. The right of individuals for informational privacy, in particular to control the flow and use of their personal data, is easily undermined by those controlling the information technology. The objective of this thesis is the measurement of informational privacy with a particular focus on scenarios where an individual discloses personal data to a second party, the data controller, which uses this data for re-identifying the individual within a set of others, the population. Several instances of this scenario are discussed in the appended papers, most notably one which adds a time dimension to the scenario for modelling the effects of the time passed between data disclosure and usage. This extended scenario leads to a new framework for inter-temporal privacy metrics. The common dilemma of all privacy metrics is their dependence on the information available to the data controller. The same information may or may not be available to the individual and, as a consequence, the individual may be misguided in his decisions due to his limited access to the data controller’s information when using privacy metrics. The goal of this thesis is thus not only the specification of new privacy metrics, but also the contribution of ideas for mitigating this dilemma. However a solution will rather be a combination of technological, economical and legal means than a purely technical solution.

People all around the world have their internet access censored or monitored by governments or large corporations. Whistleblowers and human rights activists oftentimes need to communicate in secret to avoid persecution by the powerful organization monitoring their communications. Current anonymity systems often depend on the public internet, and as such are subject to some degree of interference. Cloak is a textual communication network created to hide the existence of the network itself from an outside observer, such as a repressive government or corrupt corporation. Cloak does not use the public internet, and as such would evade the majority of the monitoring in place today. Cloak also does not use any special infrastructure or create its own infrastructure, minimizing the risk of infrastructure attacks. Finally, Cloak provides plausible deniability for its users should they be investigated. Cloak works by hiding its messages inside of normal phone activity. Two Cloak nodes can identify each other by looking at wifi probe messages that are generated by phones in the vicinity of an open wifi hotspot. They can then connect to the hotspot and browse like normal, while hiding messages inside their browsing. Because this is open wifi, the other nodes can see the hidden messages and store them, and carry them closer to their destination. Cloak can hide its messages in a lot of ways. It can first send images with messages embedded in them. It can also use places where a website asks for data in a opaque format, such as YouTube video ids. Finally, if encrypted browsing is available, a Cloak node can just send the encrypted message and act like something went wrong with its encrypted browsing.

The threat of surveillance by governmental and industrial parties is more eminent than ever. As communication moves into the digital domain, the advances in automatic assessment and interpretation of enormous amounts of data enable tracking of millions of people, recording and monitoring their private life with an unprecedented accurateness. The knowledge of such an all-encompassing loss of privacy affects the behavior of individuals, inducing various degrees of (self-)censorship and anxiety. Furthermore, the monopoly of a few large-scale organizations on digital communication enables global censorship and manipulation of public opinion. Thus, the current situation undermines the freedom of speech to a detrimental degree and threatens the foundations of modern society. Anonymous and censorship-resistant communication systems are hence of utmost importance to circumvent constant surveillance. However, existing systems are highly vulnerable to infiltration and sabotage. In particular, Sybil attacks, i.e., powerful parties inserting a large number of fake identities into the system, enable malicious parties to observe and possibly manipulate a large fraction of the communication within the system. Friend-to-friend (F2F) overlays, which restrict direct communication to parties sharing a real-world trust relationship, are a promising countermeasure to Sybil attacks, since the requirement of establishing real-world trust increases the cost of infiltration drastically. Yet, existing F2F overlays suffer from a low performance, are vulnerable to denial-of-service attacks, or fail to provide anonymity. Our first contribution in this thesis is concerned with an in-depth analysis of the concepts underlying the design of state-of-the-art F2F overlays. In the course of this analysis, we first extend the existing evaluation methods considerably, hence providing tools for both our and future research in the area of F2F overlays and distributed systems in general. Based on the novel methodology, we prove that existing approaches are inherently unable to offer acceptable delays without either requiring exhaustive maintenance costs or enabling denial-of-service attacks and de-anonymization. Consequentially, our second contribution lies in the design and evaluation of a novel concept for F2F overlays based on insights of the prior in-depth analysis. Our previous analysis has revealed that greedy embeddings allow highly efficient communication in arbitrary connectivity-restricted overlays by addressing participants through coordinates and adapting these coordinates to the overlay structure. However, greedy embeddings in their original form reveal the identity of the communicating parties and fail to provide the necessary resilience in the presence of dynamic and possibly malicious users. Therefore, we present a privacy-preserving communication protocol for greedy embeddings based on anonymous return addresses rather than identifying node coordinates. Furthermore, we enhance the communication’s robustness and attack-resistance by using multiple parallel embeddings and alternative algorithms for message delivery. We show that our approach achieves a low communication complexity. By replacing the coordinates with anonymous addresses, we furthermore provably achieve anonymity in the form of plausible deniability against an internal local adversary. Complementary, our simulation study on real-world data indicates that our approach is highly efficient and effectively mitigates the impact of failures as well as powerful denial-of-service attacks. Our fundamental results open new possibilities for anonymous and censorship-resistant applications. / Die Bedrohung der Überwachung durch staatliche oder kommerzielle Stellen ist ein drängendes Problem der modernen Gesellschaft. Heutzutage findet Kommunikation vermehrt über digitale Kanäle statt. Die so verfügbaren Daten über das Kommunikationsverhalten eines Großteils der Bevölkerung in Kombination mit den Möglichkeiten im Bereich der automatisierten Verarbeitung solcher Daten erlauben das großflächige Tracking von Millionen an Personen, deren Privatleben mit noch nie da gewesener Genauigkeit aufgezeichnet und beobachtet werden kann. Das Wissen über diese allumfassende Überwachung verändert das individuelle Verhalten und führt so zu (Selbst-)zensur sowie Ängsten. Des weiteren ermöglicht die Monopolstellung einiger weniger Internetkonzernen globale Zensur und Manipulation der öffentlichen Meinung. Deshalb stellt die momentane Situation eine drastische Einschränkung der Meinungsfreiheit dar und bedroht die Grundfesten der modernen Gesellschaft. Systeme zur anonymen und zensurresistenten Kommunikation sind daher von ungemeiner Wichtigkeit. Jedoch sind die momentanen System anfällig gegen Sabotage. Insbesondere ermöglichen es Sybil-Angriffe, bei denen ein Angreifer eine große Anzahl an gefälschten Teilnehmern in ein System einschleust und so einen großen Teil der Kommunikation kontrolliert, Kommunikation innerhalb eines solchen Systems zu beobachten und zu manipulieren. F2F Overlays dagegen erlauben nur direkte Kommunikation zwischen Teilnehmern, die eine Vertrauensbeziehung in der realen Welt teilen. Dadurch erschweren F2F Overlays das Eindringen von Angreifern in das System entscheidend und verringern so den Einfluss von Sybil-Angriffen. Allerdings leiden die existierenden F2F Overlays an geringer Leistungsfähigkeit, Anfälligkeit gegen Denial-of-Service Angriffe oder fehlender Anonymität. Der erste Beitrag dieser Arbeit liegt daher in der fokussierten Analyse der Konzepte, die in den momentanen F2F Overlays zum Einsatz kommen. Im Zuge dieser Arbeit erweitern wir zunächst die existierenden Evaluationsmethoden entscheidend und erarbeiten so Methoden, die Grundlagen für unsere sowie zukünftige Forschung in diesem Bereich bilden. Basierend auf diesen neuen Evaluationsmethoden zeigen wir, dass die existierenden Ansätze grundlegend nicht fähig sind, akzeptable Antwortzeiten bereitzustellen ohne im Zuge dessen enorme Instandhaltungskosten oder Anfälligkeiten gegen Angriffe in Kauf zu nehmen. Folglich besteht unser zweiter Beitrag in der Entwicklung und Evaluierung eines neuen Konzeptes für F2F Overlays, basierenden auf den Erkenntnissen der vorangehenden Analyse. Insbesondere ergab sich in der vorangehenden Evaluation, dass Greedy Embeddings hoch-effiziente Kommunikation erlauben indem sie Teilnehmer durch Koordinaten adressieren und diese an die Struktur des Overlays anpassen. Jedoch sind Greedy Embeddings in ihrer ursprünglichen Form nicht auf anonyme Kommunikation mit einer dynamischen Teilnehmermengen und potentiellen Angreifern ausgelegt. Daher präsentieren wir ein Privätssphäre-schützenden Kommunikationsprotokoll für F2F Overlays, in dem die identifizierenden Koordinaten durch anonyme Adressen ersetzt werden. Des weiteren erhöhen wir die Resistenz der Kommunikation durch den Einsatz mehrerer Embeddings und alternativer Algorithmen zum Finden von Routen. Wir beweisen, dass unser Ansatz eine geringe Kommunikationskomplexität im Bezug auf die eigentliche Kommunikation sowie die Instandhaltung des Embeddings aufweist. Ferner zeigt unsere Simulationstudie, dass der Ansatz effiziente Kommunikation mit kurzen Antwortszeiten und geringer Instandhaltungskosten erreicht sowie den Einfluss von Ausfälle und Angriffe erfolgreich abschwächt. Unsere grundlegenden Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten in der Entwicklung anonymer und zensurresistenter Anwendungen.

The threat of surveillance by governmental and industrial parties is more eminent than ever. As communication moves into the digital domain, the advances in automatic assessment and interpretation of enormous amounts of data enable tracking of millions of people, recording and monitoring their private life with an unprecedented accurateness. The knowledge of such an all-encompassing loss of privacy affects the behavior of individuals, inducing various degrees of (self-)censorship and anxiety. Furthermore, the monopoly of a few large-scale organizations on digital communication enables global censorship and manipulation of public opinion. Thus, the current situation undermines the freedom of speech to a detrimental degree and threatens the foundations of modern society. Anonymous and censorship-resistant communication systems are hence of utmost importance to circumvent constant surveillance. However, existing systems are highly vulnerable to infiltration and sabotage. In particular, Sybil attacks, i.e., powerful parties inserting a large number of fake identities into the system, enable malicious parties to observe and possibly manipulate a large fraction of the communication within the system. Friend-to-friend (F2F) overlays, which restrict direct communication to parties sharing a real-world trust relationship, are a promising countermeasure to Sybil attacks, since the requirement of establishing real-world trust increases the cost of infiltration drastically. Yet, existing F2F overlays suffer from a low performance, are vulnerable to denial-of-service attacks, or fail to provide anonymity. Our first contribution in this thesis is concerned with an in-depth analysis of the concepts underlying the design of state-of-the-art F2F overlays. In the course of this analysis, we first extend the existing evaluation methods considerably, hence providing tools for both our and future research in the area of F2F overlays and distributed systems in general. Based on the novel methodology, we prove that existing approaches are inherently unable to offer acceptable delays without either requiring exhaustive maintenance costs or enabling denial-of-service attacks and de-anonymization. Consequentially, our second contribution lies in the design and evaluation of a novel concept for F2F overlays based on insights of the prior in-depth analysis. Our previous analysis has revealed that greedy embeddings allow highly efficient communication in arbitrary connectivity-restricted overlays by addressing participants through coordinates and adapting these coordinates to the overlay structure. However, greedy embeddings in their original form reveal the identity of the communicating parties and fail to provide the necessary resilience in the presence of dynamic and possibly malicious users. Therefore, we present a privacy-preserving communication protocol for greedy embeddings based on anonymous return addresses rather than identifying node coordinates. Furthermore, we enhance the communication’s robustness and attack-resistance by using multiple parallel embeddings and alternative algorithms for message delivery. We show that our approach achieves a low communication complexity. By replacing the coordinates with anonymous addresses, we furthermore provably achieve anonymity in the form of plausible deniability against an internal local adversary. Complementary, our simulation study on real-world data indicates that our approach is highly efficient and effectively mitigates the impact of failures as well as powerful denial-of-service attacks. Our fundamental results open new possibilities for anonymous and censorship-resistant applications. / Die Bedrohung der Überwachung durch staatliche oder kommerzielle Stellen ist ein drängendes Problem der modernen Gesellschaft. Heutzutage findet Kommunikation vermehrt über digitale Kanäle statt. Die so verfügbaren Daten über das Kommunikationsverhalten eines Großteils der Bevölkerung in Kombination mit den Möglichkeiten im Bereich der automatisierten Verarbeitung solcher Daten erlauben das großflächige Tracking von Millionen an Personen, deren Privatleben mit noch nie da gewesener Genauigkeit aufgezeichnet und beobachtet werden kann. Das Wissen über diese allumfassende Überwachung verändert das individuelle Verhalten und führt so zu (Selbst-)zensur sowie Ängsten. Des weiteren ermöglicht die Monopolstellung einiger weniger Internetkonzernen globale Zensur und Manipulation der öffentlichen Meinung. Deshalb stellt die momentane Situation eine drastische Einschränkung der Meinungsfreiheit dar und bedroht die Grundfesten der modernen Gesellschaft. Systeme zur anonymen und zensurresistenten Kommunikation sind daher von ungemeiner Wichtigkeit. Jedoch sind die momentanen System anfällig gegen Sabotage. Insbesondere ermöglichen es Sybil-Angriffe, bei denen ein Angreifer eine große Anzahl an gefälschten Teilnehmern in ein System einschleust und so einen großen Teil der Kommunikation kontrolliert, Kommunikation innerhalb eines solchen Systems zu beobachten und zu manipulieren. F2F Overlays dagegen erlauben nur direkte Kommunikation zwischen Teilnehmern, die eine Vertrauensbeziehung in der realen Welt teilen. Dadurch erschweren F2F Overlays das Eindringen von Angreifern in das System entscheidend und verringern so den Einfluss von Sybil-Angriffen. Allerdings leiden die existierenden F2F Overlays an geringer Leistungsfähigkeit, Anfälligkeit gegen Denial-of-Service Angriffe oder fehlender Anonymität. Der erste Beitrag dieser Arbeit liegt daher in der fokussierten Analyse der Konzepte, die in den momentanen F2F Overlays zum Einsatz kommen. Im Zuge dieser Arbeit erweitern wir zunächst die existierenden Evaluationsmethoden entscheidend und erarbeiten so Methoden, die Grundlagen für unsere sowie zukünftige Forschung in diesem Bereich bilden. Basierend auf diesen neuen Evaluationsmethoden zeigen wir, dass die existierenden Ansätze grundlegend nicht fähig sind, akzeptable Antwortzeiten bereitzustellen ohne im Zuge dessen enorme Instandhaltungskosten oder Anfälligkeiten gegen Angriffe in Kauf zu nehmen. Folglich besteht unser zweiter Beitrag in der Entwicklung und Evaluierung eines neuen Konzeptes für F2F Overlays, basierenden auf den Erkenntnissen der vorangehenden Analyse. Insbesondere ergab sich in der vorangehenden Evaluation, dass Greedy Embeddings hoch-effiziente Kommunikation erlauben indem sie Teilnehmer durch Koordinaten adressieren und diese an die Struktur des Overlays anpassen. Jedoch sind Greedy Embeddings in ihrer ursprünglichen Form nicht auf anonyme Kommunikation mit einer dynamischen Teilnehmermengen und potentiellen Angreifern ausgelegt. Daher präsentieren wir ein Privätssphäre-schützenden Kommunikationsprotokoll für F2F Overlays, in dem die identifizierenden Koordinaten durch anonyme Adressen ersetzt werden. Des weiteren erhöhen wir die Resistenz der Kommunikation durch den Einsatz mehrerer Embeddings und alternativer Algorithmen zum Finden von Routen. Wir beweisen, dass unser Ansatz eine geringe Kommunikationskomplexität im Bezug auf die eigentliche Kommunikation sowie die Instandhaltung des Embeddings aufweist. Ferner zeigt unsere Simulationstudie, dass der Ansatz effiziente Kommunikation mit kurzen Antwortszeiten und geringer Instandhaltungskosten erreicht sowie den Einfluss von Ausfälle und Angriffe erfolgreich abschwächt. Unsere grundlegenden Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten in der Entwicklung anonymer und zensurresistenter Anwendungen.

Denna rapport beskriver arbetsgången för att utreda och ta fram ett lösningsförslag för hur en meddelandemotor skulle kunna implementeras i TeamTags delvis redan befintliga system. Små delar av implementeringen som infördes under projektet presenteras också. / This report describes the workflow to investigate and develop a solution proposal for how a messaging engine could be implemented in TeamTags partly already implemented system. Small parts of the implementation that was introduced during the project is also presented.