第 30 卷第 3 期
2010 年 3 月
计算机应用 Vo1. 30
Mar. 2010 Joumal of Computer Applications
文章编号 :1001 -9081(2010)03 -0719 -04
匿名通信综述
刘鑫，王能
(华东师范大学计算机科学与技术系，上海 2∞062)
( xliu620@ gmai l. com)
摘 要:匿名通信是网络与通信领域的热门课题。首先描述了匿名通信的起源，并从匿名属性、对手能力和网络
类型三个方面对匿名通信的基本框架进行了阐述。 然后阐述了匿名通信的研究现状，并对若干具有代表性的匿名通
信系统进行了简要描述，匿名通信系统包括 Anonymizer，Tor, Mixminion 、 Crowds 和 Tarzan o 最后提出了匿名通信发展
面临的挑战，包括匿名通信系统的用户体验、中继节点的信誉评价体系和匿名通信系统的滥用行为。
关键词:匿名通信;基本框架;中继节点
中图分类号 : 文献标志码 :A
Survey of anonymity communication
LIU Xin，顶TANG Neng
(Department 01 Co叩uter Science αnd Technology, East Chinα Nonnα1 University, Shanghω20∞62， China)
Abstract: Anonymity communication is a hot topic in the area of network and communication. The origin of anonymity
communication was first outlined, and the framework of anonymity communication in terms of anonymity property, adversary
capability and network type were described. Then the research of anonymity communication was investigated, and a brief
description of several major anonymity communication systems including Anonymizer, Tor, Mixminion, Crowds and Tarzan was
provided. Finally the challenges confronted in the development of anonymity communication were proposed, including the user
experience of anonymity communication, credibility evaluation system of relay node and misbehavior of anonymity
commumcatlOn.
Key words: anonymity communication; basic framework; relay node
0 引言
匿名起源于古希腊语，其含义主要是指无法识别一个人
的身份信息。
匿名是人类社会很多活动的基本需求之一。在现实社会
中，可以看到很多活动是以匿名方式进行的，如选举活动、慈
善捐款、违法行为举报以及大量的商业活动等，对于除参与者
之外的第三方是匿名的。
随着 Intemet 应用的发展，特别是基于网络的电子商务应
用越来越多，如电子投票、网络银行、电子证券交易和电子商
务等，人们在保护传输数据秘密性、完整性和真实性的基础
上，越来越关注如何保护通信用户的身份信息，如何保护提供
网络服务的用户身份信息，以及如何抵御对用户通信的流量
分析，而这正是匿名通信的研究范围。
Intemet 最初设计目的是为了信息共享，每一个 Intemet
的成员都具有唯一的标识 IP 地址，每一个传输的 IP 报文都
包括报文数据源的地址和报文目的地址。因此每一个用户的
行为都可以唯一识别，通信中的每一个报文也都可以识别发
送者和接收者。也就是说用户的通信匿名无法得到保证。
l 匿名通信的起源
匿名通信是由 Chaum['J 提出的，他提出了基于 Mix 节点
的匿名通信算法， Mix 节点接收多个发送者的消息，并对这些
消息进行混合处理，然后传输给接收者，因此掩盖了发送者和
收稿日期 :2∞9-09-06;修回日期 :2009 -10 -23 0
接收者的身份信息，实现了匿名 O
目前匿名通信是网络与通信领域的热门课题，美国军方
和大学研究机构对此都有较深入的研究。图 1 显示了从
1981 年至却08 年被 EI 检索的和被 Freehaven 收录的属于匿
名通信研究领域的文章数量。
350 , _ ,
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年份
图 1 匿名通信研究文章数量示意图
2 匿名通信的基本框架
匿名通信的基本框架[2J 可以从三个方面加以阐述:匿名
属性(anonymity property) 、对手能力 (adversary capability) 和
网络类型 (network type) 。
2. 1 匿名属性
匿名属性包括不可辨识性( unidentifiability )和不可联系
性( unlinkability) 0 不可辨识性是指对于无法识别用户的身
份和行为;不可联系性是指对于无法通过观察系统将消息、行
为和用户相关联。
不可辨识性由发送者匿名、接收者匿名、相互匿名和位置
匿名四个部分构成。发送者匿名是指不能辨识消息发送者的
作者简介 : :ktJ鑫 (1979-) ，男，安徽明光人，博士研究生，主要研究方向:匿名通信、计算机网络; 王能 (1942 -)，男，上海人，教授，博士生
导师，主要研究方向:计算机网络协议、计算机网络安全、无线传感器网络、移动 Ad Hoc 网络。
720 计算机应用 第 30 卷
身份;接收者匿名是指不能辨识消息接收者的身份;相互匿名
是指既不能辨识消息发送者的身份，也不能辨识消息接收者
的身份;位置匿名是指无法辨识消息发送者和消息接收者的
位置、移动、路由或拓扑信息。
不可联系性主要是通信匿名。通信匿名是指特定的消息
不能和任意通信会话相关联，或者特定的通信会话不能和任
意的消息相关联。通信匿名的匿名程度要低于发送者匿名和
接收者匿名。
对手能力
匿名属性
图 2 匿名通信基本框架示意图
对手能力
对手是意图降低、消除通信匿名的通信网络用户或用户
的集合。匿名通信系统一般通过提出威胁模型( thread
mode) ，来表明该系统能够抵抗的对手能力。对子能力分为
三个方面:可达能力( reachability) 、攻击能力( attackability) 和
适应能力( adaptability) 。
对手的可达能力分为全局( global) 和本地(local) 两种。
具有全局能力的对手可以访问网络中所有的节点和链路，而
具有本地能力的对子只能访问网络中部分的节点和链路。
攻击能力分为被动 (passive) 和主动 (active) 两种。攻击
的目的是为了识别消息的发送者或接收者。被动攻击一般由
匿名通信网络的外部观测者发起，其主要行为为观测网络中
传输的消息、网络中数据的流量，并通过对消息和流量的分析
达到攻击的目的。主动攻击一般由匿名通信网络的内部节点
发起，其主要行为为通过其控制的部分通信节点修改通信消
息、追溯通信行为、修改通信行为，来达到攻击的目的。
适应能力分为动态和静态两种。在匿名通信系统中，对
子的适应能力一般是动态的，动态地跟踪网络的变化，实时地
收集路径选择算法信息，实时地监控网络传输的消息和流量
的变化。
周络类型
匿名通信系统的网络类型由以下三个因素确定，分别为:
路径拓扑(path topology) 、路由机制 (route scheme) 和路径类
型 (path type) 。
匿名通信系统的路径拓扑有两种，分别为:瀑布型
(c困cade) 和自由型(free) 0 在瀑布型的网络中，发送者从匿
名通信网络中选择固定的通信路径进行消息的传输;在自由
型的网络中，发送者可以选择任意长度的通信路径进行消息
的传输。一般意义上，自由型的网络拓扑比瀑布型的网络拓
扑具有更强的匿名。
匿名通信系统的路由机制分为单播( unicast) 、组播
( multicast )、广播( broadcast) 和任意播 (anycast) 0 目前基于
系统效率和系统部署等实际问题的考虑，大多数实际部署的
匿名通信系统的路由机制都是单播的机制O
匿名通信系统的路径类型分为简单( simple) 和复杂
( complex) 。简单的路径类型不允许出现路径的循环，中继的
节点在整个路径中只能出现一次;复杂的路径类型可以出现
路径的循环，中继的节点在整个路径中可以出现多次。
3 匿名通信研究现状
现阶段匿名通信的研究主要分为三类:基于 Mix 算法的
匿名通信系统、基于 Onion Routi吨算法的匿名通信系统和基
于泛洪算法的匿名通信系统。
基于 Mix 算法的匿名通信系统是在文献[ 1 ]的匿名通信
算法基础上发展起来的。该类通信系统的核心思想是利用单
个 Mix 节点或瀑布型的多个 Mix 节点实现匿名通信。 Mix 节
点是指网络中向其他节点提供匿名通信服务的节点，它接收
用其公钥加密的数据，并对数据进行解密、批处理、重序、增加
冗余字节等处理，然后将数据传输给下一个 Mix 或最终接收
者。基于 Mix 算法的匿名通信系统具有以下特点:
1 )匿名通信系统网络中一部分节点为其他节点提供匿
名通信服务;
2)发起者需要在发起匿名通信之前确定整个通信的传
输路径，该路径在传输中不会改变;
3)发起者需要在发起匿名通信之前，得到整个传输路径
中各个 Mix 节点的信息，包括地址、密钥信息等;
4)Mix 节点对来自多个发送者的通信信息进行解密、复
用、批处理、重序、增加冗余字节等处理，系统匿名较高，但通
信传输的时延较高，一般不适合实时的数据通信。
基于 Mix 算法的匿名通信系统包括 Ba必bel 、 C句yber甲pun
(Type I)、 Mixmaster( Type 11) 、 Mixminion (Type III) 等。
基于 Onion Routing 算法的匿名通信系统是在 Reed 等
人口]1998 年提出的 Onion Routing 算法基础上发展起来的。
相比于基于 Mix 算法的匿名通信系统，基于 Onion Routing 算
法的匿名通信系统更注重数据通信的实时性以及系统的简单
性、有效性和可实施性，其特点为:
1 )基于 Onion Routing 算法的匿名通信系统建立在 TCP
传输的基础上，节点之间通常通过 SSL 方式传输;
2)基于 Onion Routing 算法的匿名通信系统在路径建立
时采用非对称密钥算法加密，在数据通信时采用对称密钥算
法加密，以提高数据传输效率，降低时延;
3)基于仙lÎon Routing 算法的匿名通信系统采用实时复用并
转发，不对通信数据进行乱序、固定输入输出流量等批处理。
基于 Onion Routing 算法的匿名通信系统包括 Tor ，
FreeNet 等。 Tor 是目前 Intemet 中最成功的公共匿名通信系
统。目前，Tor 在全球具有超过 1300 个中继节点，大部分的
节点位于美国和德国;正常状态下，全球有超过 20 Gbps 的匿
名通信传输数据流量。
基于泛洪算法[问4 -5引]的匿名通信系统是近期匿名通信传输
领域新的研究热点，主要基于 flo州o叫din吨g、 e句巾P严ide凹em巾等类洪泛算
法实现匿名通信，目前仍处于实验室研究阶段，没有实际部署
的成熟的匿名通信系统。基于泛洪算法的匿名通信系统一般
具有以下特点:
1 )发起者在发起匿名传输之前完全不清楚匿名传输的
路径，也无需得到传输中间节点的任何信息;
2)发起者的每一次匿名传输路径并不固定;
3) 医名通信网络中的任何一个中间节点都不知道匿名
通信的发起者和接收者。
基于1乏洪算法的匿名通信系统主要面临的挑战是系统会
产a生大量的网络传输流量，对于网络带宽的需求较大;同时在
目前的状态1'，系统算法的稳定性和可靠性还不够。
第 3 期 刘鑫等:匿名通信综述 721
4 匿名通信系统
Anonymizer
Anonymizer[ 6] 是建立在 HTTP 协议上的单一代理节点
( Anonymizer-Server) 匿名通信系统，通过过滤通信包文头部
的身份鉴别信息和发送者的地址来实现匿名通信。
Anonymizer 系统的优点是低延迟、实现简单，相对于非匿名通
信系统提供了初级的匿名通信保障;缺点是匿名较弱、通信报
文明码传输、通信匿名完全依赖于 Anonymizer-Server 节点，易
受到攻击。
Tor
Tor[7-IIJ 是第二代基于 Onion Routing 算法的匿名通信系
统，目前以中继节点志愿的方式广泛地部署在 Intemet 中，是
Intemet 中最成功的公共匿名通信服务。 Tor 网络在全球有超
过 1∞0 个的中继节点，大多数位于德国和美国，同时具有数
以百万计的用户。
Tor 是基于通道( circuit) 交换的低延迟的匿名通信服务。
Tor 的设计引入了完美前向机密 (perfect forward secrecy) 、拥
塞控制J ( congestion control) 、目录服务 (directory service) 、完整
性校验(integrity checking) 和可配置的出口策略( configurable
exit policies) 等机制，解决了第一代基于 Onion Routing 算法的
匿名通信系统设计的种种问题。
Tor 有两种实体，分别是 Tor 用户 (Tor user) 和 Tor 节点
(Tor node) 0 Tor 用户在本地系统中运行 Onion Proxy ( OP) 程
序，该程序负责建立通道，接收应用 TCP 数据流，并将该数据
流通过已建立通道传输。
通道建立过程如下。
OP 首先访问目录服务，得到网络中 Tor 节点的信息，包
括 IP 地址、公钥、出口策略、带宽和在线时间等。然后 OP 随
机选择三个 Tor 节点作为中继节点，分别为入口节点、中间节
点和出口节点。中继节点中只有入口节点知道通信发起者的
身份，因此如何选择入口节点对于保护通信发起者的匿名十
分重要。中间节点知道通道中入口节点和出口节点的身份，
但是不知道匿名通信发起者和接收者的身份。出口节点作为
网关负责 Tor 网络和外部 Intemet 网络的应用层连接，并充当
加密的 Tor 网络传输流量和非加密的 Intemet 传输流量之间
的中继。出口节点知道匿名通信接收者的身份。当 OP 在构
建通道时，OP 和每一个中继节点协商共享的会话密钥。在这
种设计下，通道中没有一个单一的节点知道匿名通信发起者
和接收者的身份，因此实现了通信的匿名。
通信消息传输过程如下O
一旦建立完通道， OP 可以开始传输应用数据。 OP 通过
SOCKS 协议接收应用程序数据，然后选择最新建立的通道进
行传输。通信传输时，OP将应用消息分割为 512 B 的 Cell ，每
一个 Cell 依次使用 OP 和中继节点共享的会话密钥进行加
密，顺序如下:出口节点、中间节点和入口节点。当数据经过
通道传输时，中继节点使用会话密钥进行解密，解密后传输给
下一个中继节点。出口节点将消息还原为明文消息并传输给
接收者。
Tor 适合于既有数据传输匿名要求，也有数据传输实时
性要求的低延迟匿名通信，如 Web 访问和即时消息传输等。
Mixminion
Mixminion L叫是第三代基于 Mix 算法的匿名通信系统，在
第二代基于 Mix 算法的匿名通信系统 Mixmaster 基础上增加
了如下的机制:应答机制、综合目录服务期、哑元数据传输、前
向匿名、基于密钥循环的重播预防机制、出口策略和接收者匿
名。 Mixminion 的通信路径是自由型的路径，路径中节点之间
的通信采用 TLS 实现。应答机制是 Mixminion 增强的最显著
功能。系统中 Mix 节点并不区分前向的数据消息和反向的数
据应答消息，所以反向的数据应答消息和前向的数据消息具
有相同等级的匿名。
由于 Mixminion 具有批处理、哑元数据传输等特性，相比
于 Tor ， Mixminion 更适合对数据传输匿名要求较高，对数据传
输实时性要求较低的高延迟匿名通信，如邮件传输等。
Crowds
Crowds[口]是由 AT&T 实验室提出，和 Anonymizer 一样，
是面向网络 Web 访问的匿名通信系统。 Crowds 的匿名通信
过程如下:
1)用户首先将通信消息随机传输给一个 Crowds 的中继
节点( Crowds 称之为 jondos) ;
2)接收到通信消息的中继节点自主确定是将消息提交
给最终的 Web 服务器，还是将消息随机传输给下一给 Crowds
的中继节点;
3)每一个接收到通信消息的中继节点循环执行第 2) 步
操作，直到该消息传输到最终 Web 服务器。
由于中继节点具有和匿名通信发起者同样的行为，因此
Crowds 确保了发送匿名和通信匿名。但由于最后一个中继节点
知道 Web 服务器的身份，因此Crowds 没有实现接收者匿名。
Tarzan
Tarzan[叫是P2P 架构的匿名通信系统，其基本原理和
Tor 类似，都是通过分层消息加密和多跳路由实现匿名通信。
发送者首先选择中继节点，基于中继节点构建静态传输通道，
并产生哑元数据流量来提供匿名。 Tarzan 能够提供发送者匿
名、接收者匿名和通信匿名，但是通道的构建需要较大的计算
开销和延迟。
5 匿名通信面临的挑战
匿名通信的发展目前仍面临诸多挑战[15 叫，主要为:匿
名通信系统的用户体验、中继节点的信誉评价体系和匿名信
通信系统的滥用行为。
匿名通信系统的用户体验
目前匿名通信系统的设计的基本关注点是系统匿名和系
统性能，往往忽视了系统的用户体验。
用户体验包括系统的易用性和易部署性，一个具有良好
易用性和易部署性的匿名通信系统能够吸引更多的用户和中
继节点，而更多的用户和中继节点能够为系统带来更强的匿
名和抗攻击能力。反过来说，一个用户很少的匿名通信系统
即使具备很好的通信性能和匿名算法设计，其提供的匿名也
是不够的，因为攻击者很容易在很少的用户中遍历识别出通
信的发起者和接收者。
Tor 是匿名通信系统中对用户体验认识较深的系统，也
是实际部署中做得较好的系统，因此它也是目前最成功的
Intemet 公共匿名通信服务，吸引了大量的用户和中继节点，
即使中继节点需要白发自愿地贡献出自己的带宽和系统资
源。
通过上述分析，本文认为系统用户体验和系统匿名、系统
性能一样，是评估匿名通信系统优劣的重要元素，是匿名通信
系统设计中必须考虑的重要环节，是决定匿名通信在实际部
722 计算机应用 第 30 卷
署中成败的重要因素。因此用户体验是匿名通信系统进一步
发展所面临的挑战，是系统设计者必须要解决的问题。
中继节点的信誉评价体系
目前，匿名通信系统的路由框架往往基于中继节点的自
发行为实现。如在 Tor 系统中，中继节点白发地在目录服务
中公告自己的信息，包括在线时间、IP 地址和带宽等，用户根
据这些信息选择所需的中继节点建立通道。 Tor 系统的目录
服务对中继节点公告的信息不做任何的校验和确认。对于可
以利用中继节点的自发行为发起路由攻击。对手依据用户选
择中继节点的算法，公告适合的中继节点信息，使这些节点更
加容易被用户选择为匿名通信的节点，降低甚至消除匿名通
信系统提供的匿名，包括发送者匿名、接收者匿名和通信匿
名，从而达到对用户匿名通信进行攻击的目的。
目前，匿名通信系统缺乏对中继节点既往行为的评价。
一个为系统提供了较好服务(包括带宽、计算性能和匿名)的
中继节点和一个为系统提供了较差服务(包括带宽、计算性
能和匿名)的中继节点具有相同的系统地位，因此制约了中
继节点提供更好服务的积极性，同时系统用户也无法区分系
统内提供较好服务和较差服务的中继节点。
基于上述的分析，本文认为匿名通信系统需要建立中继
节点的信誉评价体系，根据中继节点的既往行为进行中继节
点评价，并基于信誉评价体系的结果构建匿名通信系统的路
由框架。但是如果信誉评价体系构建不当，将会给系统带来
新的匿名问题，并影响用户对匿名系统的使用及中继节点的
部署，因此构建中继节点的信誉评价体系是匿名通信系统进
一步发展所面临的挑战，系统的设计者必须考虑提出适当、简
洁的信誉评价体系，促进匿名通信系统发展。目前构建中继
节点的信誉评价体系是匿名通信系统的研究热点之一O
匿名通信系统的滥用行为
随着匿名通信系统发展，使用匿名通信服务的用户也越
来越多，但是不幸的是，在这些用户的匿名通信中，既有合理
合法的网络行为，也有大量的网络滥用行为，包括网络破坏、
网络攻击和垃圾邮件等。滥用行为对于匿名通信系统的发展
具有相当大的制约作用O
匿名通信系统是一个技术系统，是为人类社会发展服务
的，因此要充分考虑系统对社会的影响。匿名传输应该在网
络社会及人类社会的发展中起到积极的影响，而不是消极的
影响，如果系统中充斥着大量的违规和非法行为，社会和国家
是不会接受、支持的，其发展也必然受到制约。
Intemet 中，服务的提供者往往采用黑名单的方式来抵抗
破坏者的攻击，即一旦发现某个网络节点具有大量的非法行
为或产生了大量的非法流量，则将该节点的 IP 地址放入黑名
单中，不接受来自该网络节点的任何数据流量。对于匿名通
信系统来说，服务提供者面对的是系统的中继节点，当系统出
现针对该服务提供者的滥用行为时，服务提供者将中继节点
的 IP 地址放入黑名单，从而导致后续用户利用该中继节点的
合法行为也不被接受。在这种机制下，最严重的后果是匿名
通信系统的大量中继节点被放入 Intemet 各种服务提供者的
黑名单中，使匿名通信系统不能再为用户提供匿名通信服务。
因此如何抵抗滥用行为是匿名通信系统进一步发展所面
临的挑战，系统的设计者必须考虑提出合理有效的抗滥用行
为系统，既要保护合理合法通信的匿名，也要使那些非法的数
据通信不能披上匿名的外衣而逃脱应有的监管和处罚，从而
促进匿名通信系统的发展。目前各种抗滥用行为的算法和体
系是匿名通信系统的研究热点之一。
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