title: On the evolution of onion routing networks
Creators: name: Döpmann, Christoph
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke::000 Informatik, Wissen, Systeme::006 Spezielle Computerverfahren
subject: onion routing networks
subject: privacy
subject: anonymous communication
subject: Tor
subject: network evolution

description: The desire for anonymous communication has been an integral part of the digital society since the early approaches many decades ago. Today, anonymous Internet communication is more relevant than ever. At the same time, it is confronted with significant new challenges: On the one hand, better performance is needed in order to provide acceptable usability to a growing number of users transferring growing amounts of data. On the other hand, however, anonymity requirements are growing too, as Internet users are facing stronger adversaries. Anonymous communication networks (ACNs) will have to adapt to these demands in order to continue providing online privacy to Internet users in the future. Therefore, evolution of ACNs is a core theme that is central to the future development of anonymous communication. Our work thus constitutes a thorough investigation of the evolution of ACNs necessary to keep pace with the changing demands of modern online communication, specifically concerning performance and anonymity. Having in mind the real-world significance of the topic, we focus particularly on onion routing networks such as Tor, the most prominent anonymity system as of today. In essence, we analyze what can be changed to improve performance and anonymity, how such changes can be carried out, and in particular what would be the consequences thereof. In doing so, we investigate the two fundamental dimensions that enable evolution of distributed systems: Firstly, changes to the network protocols, such as on the transport layer, and secondly, changes to the network infrastructure, e.g., by adding resources. Throughout this work, we contribute answers to a number of research questions that all revolve around the evolution of onion routing networks for improving performance and anonymity. Having in mind the inherent trade-off between performance and anonymity, a special focus is put on the relationship between these two design goals. All of our contributions aim to either establish a more thorough understanding of evolution in ACNs in general, investigate the trade-off between performance and anonymity, or contribute concrete, practically relevant improvements. Our results range from a novel experimental transport protocol for the Tor network that is the first to explore the suitability of model predictive control to improve performance, to concrete insights on how topological properties of network growth influence the achieved level of anonymity. Our work therefore constitutes an important step towards evolving modern anonymity networks in a way that enables them to keep up with future demands regarding performance and anonymity.
description: Der Wunsch nach anonymer Kommunikation ist in der modernen digitalen Gesellschaft tief verankert und so relevant wie nie zuvor. Dabei steht anonyme Kommunikation vor erheblichen Herausforderungen: Einerseits erfordern wachsende Datenmengen und eine steigende Anzahl an Nutzern eine verbesserte Performanz um weiterhin akzeptable Nutzbarkeit zu gewährleisten. Andererseits verschärfen sich auch die Anforderungen an die Anonymität angesichts stärkerer Angreifer. Da Anonymisierungsnetzwerke (ACNs) sich diesen veränderten Bedingungen anpassen werden müssen um Internetnutzern weiterhin Privatsphäre zu gewährleisten, ist die Weiterentwicklung von ACNs von zentraler Bedeutung für die Zukunft anonymer Kommunikation. Diese Arbeit untersucht daher die Fortentwicklung von ACNs, die nötig ist um mit den veränderten Anforderungen moderner Internetkommunikation Schritt zu halten, insbesondere im Hinblick auf Performanz und Anonymität. Aufgrund der praktischen Bedeutung liegt ein besonderer Fokus auf Onion-Routing-Netzwerken wie Tor, dem prominentesten ACN heutzutage. Die Arbeit beleuchtet insbesondere, welche Änderungen die Performanz und Anonymität verbessern können, wie diese durchgeführt werden können, und was die Konsequenzen derartiger Entwicklungen wären. Dabei werden die beiden grundlegenden Dimensionen der Evolution verteilter Systeme betrachtet: einerseits die eingesetzten Netzwerkprotokolle, beispielsweise auf der Transportschicht, und andererseits Veränderungen der Netzwerkinfrastruktur, zum Beispiel durch zusätzliche Ressourcen. In dieser Arbeit wird eine Vielzahl von Forschungsfragen beantwortet, die alle die Weiterentwicklung von Onion-Routing-Netzwerken für verbesserte Performanz und Anonymität zum Thema haben. Aufgrund des inhärenten Widerspruchs zwischen Performanz und Anonymität liegt ein besonderes Augenmerk auf dem Zusammenhang zwischen diesen beiden Systemeigenschaften. Alle Beiträge dieser Arbeit haben zum Ziel, entweder das allgemeine Verständnis der Weiterentwicklung von ACNs zu stärken, den Zusammenhang zwischen Performanz und Anonymität zu untersuchen oder konkrete Verbesserungen beizusteuern. Die Ergebnisse dieser Arbeit reichen von einem neuartigen Transportprotokoll für das Tor-Netzwerk, das erstmals die Anwendbarkeit von Model Predictive Control für verbesserte Performanz untersucht, bis hin zu konkreten Erkenntnissen über den Einfluss verschiedener topologischer Eigenschaften von Netzwerkwachstum auf die Anonymität. Damit leistet diese Arbeit einen wichtigen Beitrag um Anonymisierungsnetzwerke dahingehend weiterzuentwickeln, dass sie zukünftige Anforderungen an Performanz und Anonymität erfüllen können.