Table Of ContentAnalyzing and Mitigating Security
Threats in P2P Systems
Vom Fachbereich Informatik der Technischen Universität Darmstadt
genehmigte
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.)
vorgelegt von
M.Sc. Hatem Ismail
aus Kairo, Ägypten
Referenten:
Prof. Neeraj Suri, Ph.D.
Prof. Dr. Abdelmajid Khelil
Datum der Einreichung: 2. Juli 2018
Datum der mündlichen Prüfung: 13. September 2018
Darmstadt 2018
D17
Ismail, Hatem: Analyzing and Mitigating Security Threats in P2P Systems
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
Jahr der Veröffentlichung der Dissertation auf TUprints: 2018
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-78124
Tag der mündlichen Prüfung: 13.09.2018
Verffentlicht unter CC BY 4.0 International
https://creativecommons.org/licenses/
Erklärung zur Dissertation
Hiermit versichere ich, Hatem Ismail, die vorliegende Dissertation ohne Hilfe
Dritter und nur mit den angegebenen Quellen und Hilfsmitteln angefertigt zu
haben. Alle Stellen, die Quellen entnommen wurden, sind als solche kenntlich
gemacht worden. Diese Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner
Prüfungsbehörde vorgelegen.
Darmstadt, den 5. Oktober 2018
Abstract
Peer-to-Peer (P2P) protocols increasingly underlie a growing diversity of net-
worked applications (e.g., file sharing, streaming multimedia, storage, VoIP)
especially as the decentralized P2P paradigm inherently fosters scalability and
robustness. The growing application-oriented services also result in the evoluti-
on of P2P systems spanning diverse data dissemination techniques, peer roles
and topological structures.
On the flip side, while decentralization and scalability are attractive, and
common for all P2P systems, these design features also increase the P2P net-
work’sexposuretoavarietyofsecuritythreatsthatcanresultinthedegradation
of services. In this thesis, we illustrate a set of important P2P attack types and
subsequentlydevelopapproachestosecureP2Pnetworks fromtheseprogressive
and evolving attacks.
CoveringacomprehensiveprogressionofP2Psystemsofincreasingcomplexi-
ty(i.e.,structured,unstructuredandstreaming),weevaluatethecorresponding
feasibility of conducting attacks and the resultant impact onto them.
Subsequently, we investigate the progressive steps of detection, mitigation
and sanitization potential to restore the requisite P2P functionality. Depending
on the targeted P2P network model, we propose countermeasures that (a) are
effective against a specific attack type and its possible variants, (b) are light-
weight in execution, (c) are fully decentralized, i.e., do not depend on central
entities, and (d) allow for both reactive and proactive mitigation.
Our theoretical analysis and simulations demonstrate that our proposed at-
tack detection/mitigation mechanisms can reach up to 90-100%detection accu-
racy while inducing low overhead of 5-10% even when operating under severe
attack scenarios.
Kurzfassung
Peer-to-Peer (P2P) Netzwerke unterliegen zunehmend einer sich steigernden
Diversität vernetzter Anwendungen (z.B. File Sharing, Streaming, Multimedia,
Datenspeicherung, VoIP), insbesondere infolge der durch das dezentralisierte
P2P-Paradigma begünstigten Skalierbarkeit und Robustheit. Die zunehmende
Zahl anwendungsorientierter Dienste führt auch zu einer Evolution von P2P-
Modellen,dieverschiedenartigeTechnikenderDatenverbreitung,sowieverschie-
dene Rollen der Peers und topologische Strukturen, umfasst.
DezentralisierungundSkalierbarkeitsindattraktiveEigenschaftenvonallen
P2P-Systemen, führen aber auch zu einer Anfälligkeit dieser Systeme gegen-
überverschiedenerSicherheitsschwachstellen,diewiederumzueinerMinderung
der Dienstgüte führen können. Die vorliegende Arbeit zeigt einen Satz wichti-
ger P2P-Angriffsarten auf und entwickelt Ansätze zum Schutz vor diesen sich
abzeichnenden progressiven Angriffen.
Wir evaluieren die Durchführbarkeit und Auswirkungen dieser Angriffe für
P2P-ModellesteigenderKomplexität(Structured,UnstructuredundStreaming).
Anschließend untersuchen wir aufeinander aufbauend Schritte der Angriffs-
detektion und der Wirkungsminderung zur Wiederherstellung grundlegender
P2P-Funktionalität. In Abhängigkeit vom betrachteten P2P-Modell schlagen
wir Gegenmaßnahmen vor, die (a) wirksam gegen eine bestimmte Angriffsart
einschließlich möglicher Varianten sind, (b) leichtgewichtig in der Ausführung
sind, (c) vollständig dezentralisiert, also unabhängig von zentralen Entitäten,
sind und (d) reaktive und proaktive Ansätze der Wirkungsminderung ermögli-
chen.
Unsere theoretische Analyse und Simulationen zeigen, dass die vorgestellten
Mechanismen zur Detektion und Wirkungsminderung eine Detektionsgenauig-
keitvon90-100%erzielenkönnenunddabeiselbstinmassivenAngriffsszenarien
einen niedrigen Mehraufwand von 5-10% erfordern.
Acknowledgments
Through years filled with strong and weak moments, climbing up and
sometimesfallingdown,crawlinginlightandrunningindark,that’s
how hard, enjoyable, stressful and successful my PhD journey was.
First,IamgratefullyindebttoProf. Neeraj Suri,myprofessor,supervisor
and mentor through my PhD years, whom without, I would have never make it
towritingthosewordsnow. Iwanttodeeplythankhimforteaching,supporting
and continuously mentoring and pushing me forward and foremost, to give me
the opportunity to be one of the wonderful DEEDS group.
Starting with my parents, for whom I can’t even start explaining their un-
conditional love and support. Without you, I would have never been thinking
about achieving this dream. I’m forever in debt to them for believing me even
more than I believed in myself. My mother, the best thing that could ever
happen to me is being your son, I have no words to describe how much I love
you. Thank you for bringing me to be the man I am today. My father, my
backbone and my friend, the man that I hope someday I can be as half great as
you have always been. Thank you for making me always happy, for putting my
interest always first no matter what, for removing obstacles from my way even
beforeIseethem,andforallthehardtimesyouwentthroughwithaimingonly
for my happiness and my success. To my parents, I’m extremely happy that I
made you proud of me, you deserve a life-time acknowledgment.
Formywonderfulsister,Doaa,whoalwaystookcareaftermeandsupported
me,IreallyloveyouandIwishyouallthebestinyourPhDaswell. Isobelieve
in you.
Hamdy, Islam, Shaer, Haitham, Walid and Noha, my brothers and
sisters back home in Egypt, who always pushed me forward and made my life
way happier. Knowing I have such friends by my side is priceless, a thank you
is never enough. I love you guys.
Sally, my sister from another mother, you were always there for me when I
washappyand,evenmore,whenIwasdown. YouareoneofthemainreasonsI
managedtopassalotoftoughmomentsinmyPhDandinmylife. Ican’teven
describe how much you mean to me or mention how many amazing memories
weshared,andmoreyettocome. Youarewonderful,kind-heartedandthebest
friendIcaneveraskfor. I’msoproudthatIhaveyouinmylifeandIwishyou
all the best in your PhD as well.
Formycolleagues,myotherfamilyhereinDEEDS,Olli, Nicolas, Stefan,
Tsveti, Heng, Yiqun, Salman, Patrick, Ruben, Ute and Sabine, I will
always remember our serious and fun times, all the technical discussions and
deadlinesweshared. Ireallythankeveryoneofthemforbeingatruefriendand
Description:on the targeted P2P network model, we propose countermeasures that (a) are effective against a specific attack type and its possible variants, (b) are
