Anonymous protocols for communication and service delivery

Despite the relevant effort devoted in the literature in the last 30 years, a universally accepted definition of ''Anonymity" does not exist. It depends on the context we refer to. For example, if we want to hide the sender of a given message, then we need an anonymous communication network. On the other hand, if we want to make records stored on a database unlinkable to the real identity of a user, we have to apply data anonymization techniques. To answer the increasing demand for anonymity services, a lot of tools, frameworks, and techniques have been designed. Even though the provision of anonymous services can offer an opportunity for the proliferation of illegal activities such as black market or cyberterrorism, we believe that they may have a positive impact in terms of censorship resistance. Furthermore, a lot of privacy-preserving applications require anonymity features such as electronic auctions, anonymous surveys, or e-voting. Then, in this thesis, we provide several protocols supporting anonymity services. In particular, we focus on two aspects of anonymity i.e., anonymous communication and anonymous service delivery. We propose new (non-trivial) extensions of existing anonymous protocols (e.g., Tor) to achieve stronger anonymity features. Moreover, we provide from scratch new protocols suitable for specific application contexts where traditional approaches do not work properly. A major contribution of this thesis is that almost all the solutions we propose achieve an ambitious goal i.e., the protection against a global adversary able to monitor the flow of messages exchanged in the network. As another relevant contribution, in the last part of the thesis, we try to relax the anonymity requirements in order to enable new useful features such as linkability of data and accountability

Nonostante gli sforzi dedicati negli ultimi 30 anni in letteratura, una definizione universalmente accettata del concetto di “Anonimato” non esiste. Essa dipende dal contesto al quale ci riferiamo. Per esempio, se l’obiettivo è nascondere il mittente di un messaggio, allora avremo bisogno di una rete di comunicazione anonima. Invece, se vogliamo che i dati memorizzati in un certo database non siano collegabili alla reale identità di un utente, è necessario applicare tecniche di anonimizzazione dei dati. Per rispondere alla crescente domanda di servizi di anonimato, sono stati sviluppati diversi strumenti, frameworks, e tecniche. Nonostante l’abilitazione di servizi di anonimato possa offrire un’opportunità per la proliferazione di attività illecite come mercato nero o cyber-terrorismo, noi crediamo che essi possano avere un impatto positivo per contrastare la censura. Inoltre, diverse applicazioni come le aste online e il voto elettronico, richiedono l’anonimato per preservare la privacy degli utenti. In questa tesi sono proposti diversi protocolli per supportare servizi anonimi. In particolare, ci si concentrerà su due aspetti dell’anonimato cioè la comunicazione anonima e la fornitura di servizi anonimi. Verranno proposti nuove estensioni di protocolli anonimi esistenti (come Tor) per ottenere livelli di anonimato ancora maggiore. Inoltre, verranno proposti nuovi protocolli adatti in specifici contesti applicativi in cui gli approcci tradizionali non risultato applicabili. Un contributo rilevante di questa tesi è che quasi tutte le soluzioni proposte raggiungono un obiettivo ambizioso e cioè la protezione contro un avversario “globale” in grado di osservare i flussi di messaggi scambiati nella rete. Un altro contributo è fornito nella parte finale della tesi in cui vengono rilassati i requisiti di anonimato richiesti allo scopo di abilitare nuove proprietà come la possibilità di collegare dati tra loro o l’accountability delle operazioni effettuate dall’utente