Enhancing security and privacy in VoIP/IMS environments

Abstract

During the last decade, the development of technology has made Voice Over Internet Protocol (VoIP) and other multimedia services feasible even for mobile devices. Internet users have been gradually moving away from convectional computers since they can access such services from everywhere, through their mobile phones. The convergence of all these heterogeneous networks is achieved through the deployment of the IP Multimedia Subsystem (IMS). This platform is the main signaling component in next generation networks and can bring together all different types of networks under a common, all-IP, architecture. As the main signaling component, the IMS is responsible for the session establishment and management of the provided multimedia services, such as internet telephony, video and call conferences and many more, by utilizing the session initiation protocol (SIP). The variety of different networks and protocols, that take part in this architecture, introduce threats, vulnerabilities and new possibilities for attacks. The technical specifications of IMS cannot sufficiently prevent many security incidents while SIP has been proven vulnerable to many malicious acts. This thesis is concerned with security and privacy issues in SIP based communication services such as the ones provided by VoIP/IMS infrastructures. All the vulnerabilities that can be exploited and violate confidentiality, integrity, availability and privacy requirements are presented and evaluated considering many different factors such as the time frame of the attack, the access level of the attacker and the security mechanisms employed. Since signaling messages’ integrity can be protected with various methods, this research has been focused on preserving architecture’s availability, messages’ authenticity and users’ privacy. The development of a flooding attack detection mechanism has been the first objective of this research since such attacks pose serious threats to these environments. A metric that is derived by modeling the session establishment procedure has been proposed for detecting incomplete SIP connections. By applying simple mathematical computations, single and distributed source flooding attacks can be detected. Afterwards, a more advanced framework that provides prevention of both SIP signaling and flooding attacks has been introduced. The content of packets that encapsulate SIP signaling is analyzed and the information gathered are bound with SIP authentication. The generated tuples are stored into tables with the support of the Bloom filters. Messages’ manipulation can be detected by analysing the gathered data while a statistical model has been developed in order to detect deviations from devices’ normal traffic behaviour. Concerning privacy requirements, a mechanism that protects users’s anonymity has been introduced. The unprotected users’ identity is concealed by utilizing commutative functions. A new one-time identity is generated for every new session providing also unlinkability services. All the developed mechanisms have been implemented and evaluated through numerous different scenarios. The experimental results prove the proposed mechanisms’ efficiency while they demonstrate that only negligible overheads are introduced.

Κατά την τελευταία δεκαετία, η πρόοδος της τεχνολογίας έκανε εφικτή τη χρήση υπηρεσιών διαδικτυακής τηλεφωνίας (VoIP - Voice over IP) και άλλων πολυμεσικών εφαρμογών, μέσω κινητών συσκευών. Οι χρήστες του διαδικτύου απομακρύνονται σταδιακά από τους συμβατικούς υπολογιστές αφού μπορούν να έχουν πρόσβαση σε τέτοιες υπηρεσίες από παντού, κάνοντας χρήση των κινητών τους τηλεφώνων. Η ενοποίηση όλων αυτών των ετερογενών δικτύων κάτω από μία κοινή αρχιτεκτονική, βασισμένη εξ’ ολοκλήρου στο πρωτόκολλο IP, επιτυγχάνεται με την χρήση του Υποσυστήματος Πολυμέσων IP (IMS – IP Multimedia Subsystem). Το IMS, ως κύριο σύστημα σηματοδοσίας των δικτύων επόμενης γενεάς, είναι υπεύθυνο για την εγκαθίδρυση συνόδων και τη διαχείριση των παρεχόμενων πολυμεσικών υπηρεσιών (όπως η διαδικτυακή τηλεφωνία, η τηλεδιάσκεψη μέσω εικόνας και ήχου και πολλές άλλες), αξιοποιώντας το πρωτόκολλο σηματοδοσίας SIP (Session Initiation Protocol). Η ποικιλία των διαφορετικών δικτύων και πρωτοκόλλων που συμμετέχουν σε αυτή την αρχιτεκτονική, έχουν σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία νέων ευπαθειών και νέου τύπου επιθέσεων. Οι τεχνικές προδιαγραφές του IMS δεν καλύπτουν επαρκώς τις νέες αυτές απαιτήσεις ασφάλειας, δεδομένου μάλιστα ότι το SIP έχει αποδειχθεί ευάλωτο σε αρκετές κακόβουλες ενέργειες. Η παρούσα διατριβή μελετά τα ζητήματα ασφάλειας και ιδιωτικότητας στις τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες που είναι βασισμένες στο πρωτόκολλο SIP, όπως αυτές που προσφέρονται από τις υποδομές VoIP/IMS. Όλες οι αδυναμίες που μπορεί να αξιοποιήσει μια επίθεση για να παραβιάσει τις απαιτήσεις εμπιστευτικότητας, ακεραιότητας, διαθεσιμότητας και ιδιωτικότητας, παρουσιάζονται και αξιολογούνται λαμβάνοντας υπόψη διάφορους παράγοντες όπως το χρονικό διάστημα της επίθεσης, το επίπεδο πρόσβασης του επιτιθέμενου και τους υπάρχοντες μηχανισμούς ασφαλείας. Εφόσον η ακεραιότητα των μηνυμάτων σηματοδοσίας μπορεί να προστατευτεί με διάφορες μεθόδους, η διατριβή αυτή εστιάζει στην προστασία της διαθεσιμότητας της αρχιτεκτονικής, στην αυθεντικότητα των μηνυμάτων και στην προστασία της ιδιωτικότητας των χρηστών. Η ανάπτυξη ενός μηχανισμού εντοπισμού επιθέσεων πλημμύρας αποτέλεσε έναν από τους αρχικούς στόχους της έρευνας, δεδομένου μάλιστα ότι επιθέσεις του τύπου αυτού μπορούν να επιφέρουν σημαντικές συνέπειες σε τέτοια περιβάλλοντα. Μία μετρική, η οποία προκύπτει από την μοντελοποίηση της διαδικασίας εγκαθίδρυσης συνόδου, προτάθηκε για τον εντοπισμό ημιτελών SIP συνδέσεων. Με την εφαρμογή απλών μαθηματικών υπολογισμών, γίνεται εφικτός ο εντοπισμός επιθέσεων πλημμύρας, τόσο ενός όσο και πολλαπλών γεννητόρων. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ένα εξελιγμένο πλαίσιο προστασίας από επιθέσεις πλημμύρας και σηματοδοσίας ταυτόχρονα. Το περιεχόμενο των πακέτων που ενθυλακώνουν σηματοδοσία SIP αναλύεται και οι πληροφορίες που συλλέγονται, συνδέονται με την αυθεντικοποίηση του πρωτοκόλλου SIP. Οι παραγόμενες πλειάδες αποθηκεύονται σε πίνακες με τη βοήθεια Bloom φίλτρων. Η παραποίηση των μηνυμάτων μπορεί να εντοπιστεί αναλύοντας τα δεδομένα που έχουν συλλεχθεί, ενώ ένα στατιστικό μοντέλο έχει αναπτυχθεί προκειμένου να εντοπισθούν οι αποκλίσεις από την κανονική συμπεριφορά της δικτυακής κίνησης κάθε συσκευής. Αναφορικά με τις απαιτήσεις ιδιωτικότητας, παρουσιάζεται ένας μηχανισμός που υποστηρίζει την ανωνυμία των χρηστών. Συγκεκριμένα, οι ταυτότητες των χρηστών προστατεύονται με την αξιοποίηση αντιμεταθετικών συναρτήσεων. Μια νέα, μίας χρήσης, ταυτότητα παράγεται για κάθε νέα σύνοδο, επιτυγχάνοντας έτσι μη συνδεσιμότητα. Όλοι οι προτεινόμενοι μηχανισμοί υλοποιήθηκαν και αξιολογήθηκαν μέσω πολυάριθμων σεναρίων. Τα πειραματικά αποτελέσματα αποδεικνύουν τόσο την αποδοτικότητα των μηχανισμών όσο και την αμελητέα επιβάρυνση που εισάγουν στο σύστημα.