การจัดเส้นทางแบบหัวหอม

การจัดเส้นทางแบบหัวหอม
เป็นเทคนิคการสื่อสารแบบนิรนามผ่านเครือข่ายคอมพิวเตอร์
ในเครือข่ายหัวหอม ข้อความจะเข้ารหัสลับเป็นชั้น ๆ จึงอุปมาเหมือนกับชั้นหัวหอม
ข้อมูลที่เข้ารหัสจะส่งผ่านโหนด/สถานีรีเลย์ในเครือข่ายที่เรียกว่า เราเตอร์หัวหอม (onion router) โดยแต่ละสถานีจะ "ปอก" ชั้นหนึ่งออกเพื่อเปิดเอาข้อมูลที่จะส่งต่อไป
เมื่อชั้นสุดท้ายได้ถอดรหัสแล้ว ข้อความเดิมก็จะส่งไปยังระบบเป้าหมายจริง ๆ 
ผู้ส่งได้สภาวะนิรนามก็เพราะสถานีในระหว่าง ๆ จะรู้ที่อยู่/ตำแหน่งของโหนดก่อนหน้าและโหนดที่ส่งต่อไปเท่านั้น
โดยไม่มีสถานีไหน ๆ ที่รู้ที่อยู่ของทั้งระบบต้นสายและระบบปลายทางทั้งสอง แม้ระบบปลายทางเองก็รู้เพียงแต่ที่อยู่ของสถานีสุดท้ายในเครือข่ายเท่านั้น
แต่ก็มีวิธีที่สามารถทำลายสภาวะนิรนามของเทคนิคเช่นนี้ได้ เช่น การวิเคราะห์เวลา ถ้าสามารถดักฟังข้อมูลทั้งขาเข้าขาออกจากเครือข่ายได้

การจัดเส้นทางแบบหัวหอมได้พัฒนาขึ้นในกลางคริสต์ทศวรรษ 1990 ณ แล็บวิจัยกองทัพเรือสหรัฐโดยเจ้าหน้าที่คือ Paul Syverson, Michael G. Reed, และ David Goldschlag
เพื่อป้องกันการสื่อสารราชการลับของสหรัฐออนไลน์
แล้วต่อมาจึงพัฒนายิ่งขึ้นโดยสำนักงานโปรเจ็กต์งานวิจัยก้าวหน้ากระทรวงกลาโหม (DARPA) แล้วจดสิทธิบัตรโดยกองทัพเรือในปี 1998

ต่อมาในปี 2002 นักวิทยาการคอมพิวเตอร์ รอเจอร์ ดิงเกิลไดน์ (Roger Dingledine) และนิก แม็ทธิวสัน (Nick Mathewson) จึงร่วมมือกับ Syverson เพื่อพัฒนาซอฟต์แวร์การจัดเส้นทางแบบหัวหอมในรูปแบบที่รู้จักกันดีที่สุด คือ ทอร์ (Tor) ซึ่งในเวลานั้นเรียกว่า The Onion Routing project หรือ TOR project (โปรเจ็กต์ทอร์)
แล้วต่อมาในปี 2004 จึงได้ตีพิมพ์เอกสารการออกแบบของทอร์รุ่นสองในงานประชุม USENIX Security ครั้งที่ 13
ซึ่งกลายเป็นมูลฐานของการทำให้เกิดผลต่อมา

หลังจากที่แล็บวิจัยกองทัพเรือสหรัฐได้อนุญาตให้ใช้รหัสคำสั่งของทอร์ตามสัญญาเสรี
ดิงเกิลไดน์ แม็ทธิวสัน และบุคลากรอื่น ๆ อีก 5 ท่านก็ได้จัดตั้งโปรเจ็กต์ทอร์เป็นองค์การไม่แสวงหาผลกำไรในปี 2006 โดยได้รับการสนับสนุนทางการเงินจากมูลนิธิชายแดนอิเล็กทรอนิก (EFF) และองค์กรอื่น ๆ

ให้สังเกตว่า การจัดเส้นทางแบบหัวหอมเป็นโพรโทคอลที่ดำเนินการและพัฒนาการขึ้นเรื่อย ๆ โดยโปรเจ็กต์ทอร์เป็นหลัก 
เนื่องจากไม่มีเอกสารที่รวมสรุปการทำให้เกิดผลดังที่ใช้ในปัจจุบันแบบง่าย ๆ นอกเหนือจากเอกสารกำหนดคุณลักษณะทางเทคนิกต่าง ๆ
ข้อมูลในบทความนี้จึงมาจากบทความต่าง ๆ เริ่มตั้งแต่เอกสารแสดงแบบของโพรโทรคอลรุ่นสองของทอร์ในปี 2004 
เนื้อความในบทความอาจจะจับใจความสำคัญต่าง ๆ ได้ "แต่รายละเอียดบางอย่างอาจเคลื่อนคลาดจากดังที่ทำให้เกิดผลในปัจจุบัน"
การจัดเส้นทางแบบหัวหอม (onion routing) ทำให้เกิดผลโดยการเข้ารหัสลับในชั้นโปรแกรมประยุกต์ของโพรโทคอลสแตกทีซีพีที่ใช้ในการสื่อสาร โดยทำเป็นชั้น ๆ เหมือนกับของหัวหอม
คือระบบผู้ใช้จะสร้างวงจรการสื่อสารเสมือนผ่านสถานี/โหนดส่งต่อต่าง ๆ 3 สถานีซึ่งเลือกโดยสุ่มเป็นลำดับ ๆ การสร้างจะเพิ่มสถานีทีละสถานี ๆ เข้าในวงจรด้วยการสื่อสารที่เข้ารหัสลับ โดยสถานีส่งต่อแต่ละสถานี จะรู้แต่เลขที่อยู่ไอพีขาเข้าและขาออกของตน ๆ เท่านั้น และไม่มีสถานีไหนในระหว่าง ที่รู้ทั้งที่อยู่ของต้นสายและของปลายทางทั้งสอง แม้ในมุมมองของระบบปลายทาง ก็จะดูเหมือนว่าการสื่อสารเริ่มมาจากสถานีขาออกของเครือข่าย เมื่อกำลังสร้างวงจร ระบบผู้ใช้จะแลกเปลี่ยนกุญแจเข้ารหัสลับแบบสมมาตรโดยเฉพาะ ๆ กับโหนดส่งต่อแต่ละสถานี เพื่อเมื่อส่งข้อมูลไปยังปลายทาง ระบบผู้ใช้ก็จะเข้ารหัสข้อมูลเป็นชั้น ๆ ด้วยกุญแจที่แลกเปลี่ยนเริ่มตั้งแต่สถานีขาออก (สถานีสุดท้าย) ย้อนลำดับกลับมาจะถึงสถานีขาเข้า เมื่อข้อมูลส่งไปถึงแต่ละสถานี ๆ สถานีก็จะสามารถถอดรหัสชั้นที่เข้ากุญแจซึ่งตนได้แลกเปลี่ยน แล้วทำการที่สมควรเช่นส่งข้อมูลนั้นต่อไปได้ โดยที่ไม่สามารถรู้ข้อมูลที่ส่งต่อเพราะเข้ารหัสด้วยกุญแจที่ตนไม่มี สถานีขาออกจะเป็นผู้ถอดรหัสชั้นสุดท้ายแล้วส่งข้อมูลดั้งเดิมไปยังระบบปลายทางต่อไป

เมื่อระบบปลายทางส่งข้อมูลกลับไปยังระบบผู้ใช้ ข้อมูลก็จะวิ่งผ่านวงจรการสื่อสารเดียวกันโดยกลับลำดับคือจากสถานีขาออกจนไปถึงสถานีขาเข้า โดยสถานีส่งต่อแต่ละสถานี ๆ จะเข้ารหัสลับข้อมูลด้วยกุญแจที่ตนใช้ร่วมกับระบบผู้ใช้ ดังนั้น เมื่อสถานีขาเข้าส่งข้อมูลกลับไปถึงระบบต้นทาง ข้อมูลเซลล์จะเข้ารหัสไว้เป็นสามชั้น ซึ่งระบบผู้ใช้จะถอดรหัสด้วยกุญแจที่ตนใช้ร่วมกันสถานีส่งต่อต่าง ๆ
เราเตอร์หัวหอมสื่อสารกับกันและกัน และกับระบบผู้ใช้ ผ่านการเชื่อมต่อกันด้วยทีแอลเอสและการเข้ารหัสด้วยกุญแจอายุสั้น ทีแอลเอสช่วยปกปิดข้อมูลในสายเชื่อมต่อให้เป็นความลับที่แม้เมื่อดักเก็บข้อมูลไว้ได้ ก็จะไม่สามารถถอดรหัสข้อมูลได้ในอนาคต (perfect forward secrecy) และป้องกันผู้โจมตีไม่ให้เปลี่ยนข้อมูลในสาย หรือปลอมตัวว่าเป็นเราเตอร์หัวหอม

ข้อมูลส่งผ่านเครือข่ายโดยมีหน่วยเป็นเซลล์ ซึ่งมีขนาดตายตัวคือ 512 ไบต์ และเมื่อเซลล์แต่ละเซลล์วิ่งผ่านวงจรเริ่มตั้งแต่ระบบผู้ใช้ เซลล์จะเข้ารหัสลับด้วยกุญแจทีแอลเอสของการเชื่อมต่อแบบทีแอลเอสในระหว่างระบบที่อยู่ต่อกันโดยตรง
ส่วนหัวของแต่ละเซลล์มีข้อมูลคือ
เซลล์ควบคุมสามารถมีคำสั่งรวมทั้ง

สำหรับเซลล์ส่งต่อ ส่วนที่เป็นข้อมูลภายในเซลล์จะเข้ารหัสลับด้วยกุญแจอายุสั้นที่ร่วมใช้ระหว่างระบบผู้ใช้กับสถานีแต่ละสถานี ส่วนนี้ยังมีส่วนหัวรีเลย์ (relay header) ซึ่งอยู่ในลำดับต่อไปจากส่วนหัวของเซลล์ รวมทั้ง
เซลล์ส่งต่อสามารถมีคำสั่งดังต่อไปนี้คือ

เพื่อสร้างวงจรเสมือนหนึ่ง ๆ ระบบผู้ใช้จะขอรายการสถานีส่งต่อจากโหนดสารบบ
รายการที่ได้จะเซ็นชื่อโดยกุญแจระบุตัวระยะกลางของโหนดสารบบ และข้อมูลเกี่ยวกับสถานีจะเซ็นชื่อโดยกุญแจระบุตัวของสถานีที่สัมพันธ์กัน
ระบบผู้ใช้ปกติจะเลือกสถานี 3 สถานีจากรายการเพื่อสร้างวงจร
โดยมีการเลือกโหนดขาเข้าจากรายการสุ่มที่เลือกใช้นานเป็นพิเศษที่เรียกว่า สถานียาม (entry guards)

โหนดที่เลือกจะจับเรียงลำดับเป็น "โซ่" หรือ "วงจร" ที่จะส่งผ่านข้อมูล 
เพื่อรักษาสภาพนิรนามของผู้ส่ง ไม่มีโหนดไหนในวงจรที่รู้ทั้งที่อยู่ของต้นสายและของปลายทางทั้งสอง แม้ในมุมมองของระบบปลายทาง ก็จะดูเหมือนว่าการสื่อสารเริ่มมาจากสถานีขาออกของเครือข่าย 
เช่นกัน ไม่มีโหนดไหนในวงจรที่สามารถบอกว่ามีโหนดจำนวนเท่าไรในวงจรหรือรู้เส้นทางการส่งข้อมูลทั้งหมดภายในวงจร และโหนดสุดท้ายเท่านั้น ซึ่งเรียกว่าโหนดขาออก (exit node) จะสามารถกำหนดตำแหน่งตัวเองภายในลูกโซ่

เมื่อสร้างวงจร ระบบผู้ใช้จะต่อสถานีรีเลย์เข้ากับวงจรทีละสถานี ๆ ต่อ ๆ กัน โดยที่การสื่อสารระหว่างระบบต่าง ๆ จะทำผ่านทีแอลเอสอาศัยกุญแจระบุสถานีระยะยาวที่พบในสารบบ 
การต่อสถานีมีรายละเอียดคือคือ (ดูประกอบรูป)

ตัวอย่างนี้ เป็นการสร้างวงจรที่มีโหนดส่งต่อเพียงแค่สองสถานีเท่านั้น การสร้างวงจรเพิ่มเพื่อให้มีโหนดส่งต่อ 3 สถานีก็ทำได้โดยนัยเดียวกัน คือระบบผู้ใช้สามารถส่งคำขอการต่อวงจร (Extend) เชื่อมกับสถานีสามไปยังสถานีสองโดยส่งผ่านสถานีหนึ่ง คล้ายกับลำดับ 3 ที่กล่าวมาแล้ว แต่เข้ารหัสลับส่วนข้อมูลของเซลล์สองครั้งด้วยกุญแจอายุสั้นที่ใช้ร่วมกับสถานีสอง (g^x2y2) แล้วด้วยกุญแจอายุสั้นที่ใช้ร่วมกับสถานีหนึ่ง (g^x1y1)

เพื่อความกระจ่าง อาจกล่าวโดยอีกวิธีหนึ่งก็คือ

เมื่อสร้างวงจรเสร็จแล้ว ระบบผู้ใช้ก็จะสามารถส่งข้อมูลผ่านอินเทอร์เน็ตไปยังระบบปลายทางอย่างนิรนามได้
สำหรับโปรแกรมผู้ใช้ที่ตั้งให้สื่อสารผ่านเครือข่ายหัวหอม ไม่ว่าจะเป็นโปรแกรมเดียว (เช่นทอร์เบราว์เซอร์) หรือหลายโปรแกรม สายข้อมูลทีซีพีต่าง ๆ ที่โปรแกรมผู้ใช้สร้างก็จะส่งผ่านวงจรเดียวกัน แต่ระบบผู้ใช้จะตั้งวงจรใหม่ทุก ๆ 10 นาที ดังนั้น สายข้อมูลใหม่ที่ตั้งขึ้นก็จะใช้วงจรใหม่ ส่วนสายข้อมูลเก่าที่ยังดำเนินการอยู่ก็จะคงอยู่ในวงจรเดิมจนกว่าจะเสร็จ ดังนั้น ในระบบผู้ใช้ อาจมีการส่งข้อมูลผ่านเครือข่ายหัวหอมเป็นหลายวงจร แต่ละวงจรอาจมีสายข้อมูลหลายสาย โดยอาจเป็นสายข้อมูลจากโปรแกรมชุดเดียวหรือหลายโปรแกรม การเปลี่ยนวงจรการสื่อสารเช่นนี้ โดยมีสถานีขาออกที่ต่าง ๆ กัน จะทำให้ระบบปลายทางสัมพันธ์การกระทำของผู้ใช้ที่เกิดในเวลาต่าง ๆ ได้ยากขึ้น

เมื่อวงจรสร้างขึ้นแล้ว ระบบผู้ใช้สามารถเริ่มส่งรับข้อมูลผ่านเครือข่ายนิรนามที่เข้ารหัสลับด้วยกุญแจสองตัวคือ กุญแจอายุสั้นที่ใช้เข้ารหัสเพียงส่วนข้อมูลของเซลล์เป็นชั้น ๆ และกุญแจทีแอลเอสที่ใช้เข้ารหัสเซลล์ทั้งหมดเมื่อส่งผ่านเครือข่ายอินเทอร์เน็ตระหว่างสถานี ๆ โดยที่ไม่มีสถานีส่งต่อใด ๆ รวมทั้งระบบปลายทาง ที่สามารถรู้ทั้งที่อยู่ไอพีของระบบผู้ใช้และของระบบปลายทางทั้งสอง และมีสถานีทางออกเท่านั้น ที่สามารถเข้าถึงข้อมูลดั้งเดิมที่ส่งในระหว่างต้นสายและปลายทาง ยกเว้นถ้าผู้ใช้ใช้โปรแกรมที่เข้ารหัสข้อมูลจากต้นจนถึงปลาย เช่น ทอร์เบราว์เซอร์เมื่อสื่อสารผ่านเอชทีทีพีเอสเป็นต้น
อนึ่ง เพราะกุญแจที่ใช้เข้ารหัสลับเป็นกุญแจชั่วคราว จึงหมายความว่า แม้ถ้ามีใครดักเก็บข้อมูลที่ส่งผ่านระหว่างระบบต่าง ๆ แล้วโจมตีเข้าถึงระบบเหล่านั้นได้ในภายหลัง ก็จะไม่สามารถถอดรหัสข้อมูลเหล่านั้นได้เพราะระบบได้ทิ้งกุญแจไปแล้ว

การรับส่งข้อมูลมีรายละเอียดคือ (ดูรูป)

ผู้ออกแบบการจัดเส้นทางแบบหัวหอมได้พิจารณาการโจมตีและผลต่อระบบหลายอย่าง (ปี 2004) รวมทั้งที่จัดว่าเป็นการดักฟังเฉย ๆ (passive attack) และแบบต้องทำการอย่างแอ๊กถีฟ (active attack)
ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของการโจมตีที่ได้พิจารณา

การโจมตีแบบดักฟังเฉย ๆ (passive attack) รวมทั้ง

การโจมตีแบบแอ๊กถีฟ (active attack) รวมทั้ง

เหตุผลหนึ่งที่การเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตปกติจะไม่ได้สภาวะนิรนาม ก็เพราะผู้ให้บริการสามารถติดตามและลงบันทึกการเชื่อมต่อกันระหว่างคอมพิวเตอร์
ยกตัวอย่างเช่น เมื่อผู้ใช้เยี่ยมชมเว็บไซต์ ข้อมูลเองอาจจะปลอดภัยเพราะเชื่อมต่อด้วยเอชทีทีพีเอส ดังนั้น คนพวกอื่นจะไม่สามารถรู้รหัสผ่าน อีเมล และเนื้อความอื่น ๆ แต่ก็ยังมีบันทึกเกี่ยวกับการเชื่อมต่อเอง เช่น ต่อเมื่อไร มีข้อมูลส่งผ่านแค่ไหน

การจัดเส้นทางแบบหัวหอมจะสร้างทางที่คลุมเครือระหว่างคอมพิวเตอร์สองเครื่อง เพื่อไม่ให้ระบบผู้ใช้เชื่อมต่อกับเว็บไซต์โดยตรง 
แม้จะยังมีบันทึกการเชื่อมต่อกันระหว่างคอมพิวเตอร์และก็ยังสามารถวิเคราะห์การสื่อสารเนื่องกับบันทึกการเชื่อมต่อเช่นนั้น แล้วพยายามเชื่อมเวลาและการส่งข้อมูลกับการเชื่อมต่อไปยังผู้รับหนึ่ง ๆ 
ยกตัวอย่างเช่น อาจจะเห็นบุคคลส่งข้อมูล 51 กิโลไบต์ถ้วนไปยังคอมพิวเตอร์ที่ไม่รู้จัก 3 วินาทีก่อนคอมพิวเตอร์อีกเครื่องที่ไม่รู้จักก็ส่งข้อมูล 51 กิโลไบต์ถ้วนเช่นกันไปยังเว็บไซต์หนึ่งโดยเฉพาะ

ปัจจัยที่อาจช่วยให้วิเคราะห์การสื่อสารได้รวมทั้งโหนดขัดข้องแล้วออกจากเครือข่าย
และโหนดส่งต่อที่ถูกแฮ็กให้เก็บบันทึกการเชื่อมต่อทุก ๆ ครั้งที่มีการสร้างวงจรใหม่

การจัดเส้นทางแบบกระเทียม (Garlic routing) เป็นการจัดเส้นทางแบบหัวหอมอีกอย่างหนึ่งที่ใช้ในเครือข่ายไอทูพี และเข้ารหัสลับข้อความหลายข้อความเข้าด้วยกันเพื่อทำการวิเคราะห์การสื่อสารเช่นนี้ให้ยากขึ้น 
และเพื่อเพิ่มความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูล

แม้ข้อความที่ส่งจะเข้ารหัสลับเป็นชั้น ๆ แต่หน้าที่ของโหนดขาออก (exit node) ที่เป็นโหนดท้ายสุดในโซ่ ก็คือการถอดรหัสลับชั้นสุดท้ายแล้วส่งข้อความไปให้ผู้รับ
ดังนั้น โหนดขาออกที่ถูกแก้ก็อาจจะเก็บข้อมูลที่ส่ง ซึ่งอาจมีรหัสผ่าน ข้อความส่วนตัว เลขบัญชีธนาคาร หรือข้อมูลส่วนตัวอื่น ๆ 
ในปี 2007 นักวิจัยชาวสวีเดนได้ใช้การโจมตีคล้าย ๆ กันนี้แล้วสามารถเก็บรหัสผ่านของบัญชีอีเมลกว่า 100 บัญชีของสถานทูตประเทศต่าง ๆ

จุดอ่อนโหนดขาออกจะคล้ายกับที่พบในเครือข่ายไร้สายที่ไม่ได้ทำให้ปลอดภัย คือข้อมูลที่ส่งโดยผู้ใช้เครือข่ายอาจถูกดักฟังโดยผู้ใช้อีกคนหนึ่งหรือโดยผู้ดำเนินการเราเตอร์
โดยปัญหาทั้งสองนี้สามารถแก้ได้โดยใช้การเชื่อมต่อที่เข้ารหัสลับจากต้นถึงปลาย เช่น เอสเอสแอลหรือเอชทีทีพีเอส
ซึ่งทำให้แม้แต่ผู้ส่งต่อลำดับสุดท้ายก็ไม่สามารถรู้ข้อความดั้งเดิมได้