Service  availability:  Betting  website  versus  independent  online  radio  

 Online  Radio  as  well  as  online  betting  is  being  used  in  day-­‐to-­‐day  life  and  it  is  very  important  to  have  complete  availability  for  the  websites,  as  the  consequences  of  unavailability  would  be  threatening.  The  first  part  of  the  essay  would  discuss  about  the  design  of  an  online  radio  system,  online  lottery.  The  next  section  would  be  about  the  security  design  of  both  the  systems  followed  by  an  analysis  of  Denial  of  Service  attacks  on  both  the  systems.  Then  we  would  analyze  the  security  principles,  which  are  common  and  different  between  the  two  systems.    1.  Design  of  an  Online  Radio    An  online  radio  comprises  of  three  major  participants,  the  DJ,  audience  interacting  with  the  DJ  and  the  other  audience.  The  systems  used  would  consist  of  an  uploading  channel  where  the  audio  content  (the  interviews,  music  etc.)  are  converted  into  streams  of  data  and  fed  over  the  Internet  to  reach  the  listeners.  [1]The  listener  would  be  having  an  appropriate  audio  decoder,  to  decode  the  data  stream  back  into  playable  audio  files.  Internet  radio  stations  broadcast  their  content  either  using  unicast  or  multicast  links.  There  are  several  mechanisms  by  which  a  listener  can  tune  in  to  the  broadcast.  They  tune-­‐in  either  by  entering  the  IP  address  or  access  the  native  website  like  an  online  broadcast  site  (e.g.:  www.radiostations.co.uk).    Further,  the  computers  should  also  authenticate  the  validity  of  the  stream  and  verify  if  it  is  coming  from  the  legitimate  channel.  The  stream  should  not  interfere  with  any  other  channel.  It  should  be  noted  that  not  all  online  radio  services  need  the  user  to  register  and  hence,  the  user  can  listen  to  the  broad  cast  even  without  being  a  member.                                          

                                                                                                             

                             

Audio  Broadcast  

Convert  audio  to  data  stream  

Encode  the  data  stream  with  a  secret  key  

Figure  -­‐1a  Uplink  process  in  Online  Radio  

                                 

           2.    Design  of  Online  Lottery  An  online  lottery  system  mainly  consists  of  a  lottery  management  server,  connected  to  an  open  network  and  a  database  connected  to  the  processor.  [2]  The  processor  collects  lottery  ticket  sales  information  from  a  terminal  connected  to  an  open  network.  The  processor  stores  the  lottery  ticket  sales  information  in  the  database.  The  processor  transfers  funds  from  a  user  account  when  a  lottery  ticket  is  purchased.  Each  lottery  ticket  is  unique  and  is  mapped  to  a  single  user,  (using  his  log-­‐in  credentials).  The  unique  ID  would  be  stored  in  the  database  and  the  entire  unique  ID’s  associated  with  the  lottery  numbers  would  be  submitted  to  the  lottery  control  server. The  lottery  management  server,  acting  as  a  provider  and  authority  for  Internet  lottery,  may  issue  the  serial  number  and  confirmation  code,  which  may  be  stored  with  the  participant’s  ticket  information  in  secure  database.  After  all  number  sets  are  processed;  the  confirmations  are  stored  in  the  database.    The  lottery  management  server  tracks  the  purchased  numbers,  storing  them  in  association  with  the  participant  identification  information  along  with  confirmation  data  or  other  data  necessary  to  the  lottery  game.  The  summaries  of  the  data  or  analysis  of  the  data  may  be  delivered  to  a  state  lottery  organization.    When  the  lottery  authority  issues  the  winning  numbers,  the  control  server  provides  the  winning  numbers  to  the  management  server,  which  matches  against  the  purchased  ticket  numbers,  and  the  winners  are  identified.  The  lottery  management  server  may  transfer  the  winnings  from  a  lottery  bank  account  to  the  Winning  participant’s  virtual  Wallet.  The  money  in  the  virtual  Wallet  may  be  transferred  to  the  participant’s  bank  account  or  used  to  purchase  further  lottery  tickets.          

Receive  Broadcast  from  the  Internet  

Match  the  encryption  key  with  the  audio  decoder  

Decode  the  audio  stream  

Listener  can  play    

Figure  -­‐1b  Downlink  process  in  Online  Radio  

                 

   

                       3.  DENIAL  OF  SERVICE  ATTACKS    Before  discussing  about  the  security  policies  of  the  two  systems,  it  is  important  to  know  about  the  various  kinds  of  Denial  of  Service  (DoS)  attacks  and  about  the  detection  and  prevention  schemes.  [5]  [6]  In  a  DoS  attack,  an  adversary  floods  the  network  with  many  requests  and  uses  full  connectivity  of  the  Internet.  A  DoS  attack  can  be  either  a  single-­‐source  attack,  originating  at  only  one  host,  or  a  multi-­‐source  (Distributed  DoS),  wherein  multiple  hosts  flood  the  user  with  attack  packets.  DoS  attacks  attempt  to  exhaust  or  disable  access  to  network  bandwidth,  computing  power,  or  operating  system  data  structures.  [4]    3.1  Types  of  DoS  Attacks    A.  Zombie  Attack:  An  adversary  attacks  the  Internet  hosts  by  exploiting  security  holes,  installs  the  attack  tools  on  the  zombie  systems  and  hence  it  would  be  able  to  attack  any  victim.  Using  this  advantage,  the  adversary  send  packages  which  have  an  incorrect  checksum,  wrong  header  values  or  invalid  flag  combinations.  [3]    B.  Software  Exploits:  The  adversary  sends  packets,  which  would  install  software  bugs  within  the  OS  or  application  to  disable  the  victim.  [3]        

 INTERNET  

UID  database  

LOTTERY  MANAGEMENT  

SERVER  

LOTTERY  CONTROL  

LOTTERY  MANAGEMENT  FUNCTIONS  

FIGURE  2  ONLINE  LOTTERY  SYSTEMS  

C.  Flooding  Attacks:  The  most  common  DoS  attack  by  which  the  adversaries  send  packets  that  flood  the  link  and  disrupt  the  bandwidth  or  computing  resources.  [3]    D.  Reflector  Attacks:  These  attacks  masquerade  the  adversary  or  amplifies  an  attack.  By  spoofing  the  IP  address  in  the  source  field  of  the  request,  the  host  is  used  as  a  reflector  and  directs  all  the  responses  back  to  the  victim  hence  blocking  him  from  network  access.  On  sending  packets  to  the  broadcast  address,  it  requests  for  a  response  from  every  host  on  the  LAN  and  hence  acts  as  amplifiers.  As  these  pretend  to  be  legitimate  hosts,  it  is  difficult  to  identify  and  remove.  [3]    E.  Targeted  Attacks  By  injecting  interference  into  the  control  packet,  a  particular  victim  is  chosen  to  receive  these  and  hence  cripple  his  actions.  [3]    F.  Jamming  Attacks  “A  constant  jammer  continually  emits  radio  signals  of  a  completely  random  sequence  of  bits,  electromagnetic  energy  transmissions.  The  goal  of  this  type  of  jammer  is  twofold:  (a)  to  pose  interference  on  any  transmitting  node  in  order  to  corrupt  its  packets  at  the  receiver  and  (b)  to  make  a  legitimate  transmitter  sense  the  channel  busy,  thereby  preventing  it  from  gaining  access  to  the  channel.    The  deceptive  jammer  continually  injects  regular  packets  on  the  channel  without  any  gaps  between  the  transmissions.  This  makes  an  overhearing  user  believe  that  there  is  a  legitimate  transmission  going  on.  Consequently,  every  node  will  remain  in  the  listening  state  even  if  it  has  data  to  transmit.  An  important  difference  is  that  deceptive  jamming  is  harder  to  detect  using  network  monitoring  tools,  since  these  tools  will  sense  legitimate  traffic  on  the  medium.”  [3]    3.2  Intrusion  detection  A.  Traceback:  This  involves  backtracking  the  network  traffic  information  to  a  particular  IP  address  and  hence  triangulating  the  position  of  the  adversary.  This  is  effective  when  the  traffic  rates  and  packet  types  are  known.  But,  in  case  of  multiple  jammers,  this  scheme  is  not  fruitful.  [3]  However,  because  attackers  can  forge  most  packet  information,  characterizing  attacks  as      B.  Backscatter  Analysis:  “The  backscatter  technique  allows  detection  of  attacks  that  uniformly  spoof  source  addresses  in  the  complete  IP  address  space.  E.g.:  Moore  et  al  used  backscatter  analysis  and  detected  12,805  attacks  during  a  period  of  3  weeks.  However,  this  technique  fails  to  detect  reflection  techniques,  subnet  spoofing.”  [4]    C.  Spectral  Analysis:  During  a  high  volume  DoS  attack,  the  change  in  periodicities  is  identified  in  the  traffic  and  the  analysis  is  made  to  find  out  the  adversary.  [4]    D.  Consistency  check:    a)  Signal  strength  consistency  check  –  “If  we  measure  low  PDR  and  high  RSS  then  it  is  most  likely  that  the  node  is  jammed.  On  the  other  hand,  if  we  measure  low  PDR  with  low  RSS,  

then  this  can  be  due  to  a  network  failure  or  poor  link  quality.”  b)  Location  consistency  check:  “The  detection  system  measures  the  PDR,  along  with  the  location  of  the  neighbors  of  the  node  under  consideration.”  (Note:  PDR  =Packets  That  Pass  The  CRC/Packets  Received,  RSS:  Received  Signal  Strength)  [3]    E.  Wireless  Distributed  Intrusion  detection  system:    The  nodes  in  the  network  would  monitor  the  traffic  and  lists  the  evidences  relating  to  the  events  taking  place  Eg:  packet  quantity,  idle  period  time  stamps,  number  of  corrupted  packets,  etc.  When  a  list  is  created  for  the  users,  the  nodes  exchange  the  lists  and  matches  the  events  to  get  a  clear  picture  about  the  events  occurring  in  the  network  and  also  to  differentiate  between  the  channel  failures  and  the  jamming  attack.  But,  this  is  not  viable  for  real  time  detection,  as  the  exchange  would  not  work  during  the  period  of  attack.    [3]        F.  Packet  Header  Analysis:    “From  header  analysis  we  can  make  several  observations  about  the  prevalence  of  attack  techniques  in  the  wild.  First,  87%  of  the  zombie  attacks  use  illegal  packet  formats  or  randomize  fields,  indicating  the  presence  of  root  access  on  the  zombies.”  [4]    G.  Arrival  Late  Analysis:  By  analysis  of  the  transfer  of  the  time  the  packets  reach  the  victim,  an  analysis  can  be  made  based  on  the  clustering  on  the  lower  packet  rates  or  the  higher  rates  as  these  determine  the  aggregation  of  traffic.    Intrusion  Prevention  A.  Frequency  Hopping:  Frequency  hopping  can  be  either  reactive  or  proactive.  In  case  of  reactive,  on  realizing  a  jammed  network,  the  node  switches  to  a  different  channel  and  sends  a  beacon  message  on  the  new  channel.  Hence  the  non-­‐jammed  neighbors  sense  the  absence  and  change  their  bands  of  operation  to  check  for  beacons.  If  the  beacons  are  not  sent,  they  assume  that  the  node  has  lost  its  way.  If  a  beacon  is  found,  they  networks  change  their  channel  and  the  entire  network  works  on  this  non-­‐jammed  channel.  The  drawback  would  be  multiple  devices  jamming  different  bands  hence  making  the  whole  spectrum  useless  and  hence  frequency  hopping  would  not  work  [3]      B.  Spatial  Retreats:  When  a  node  senses  a  jammed  network  it  executes  a  detection  algorithm  trying  to  stay  connected  with  its  previous  neighbors  by  moving  along  the  boundary  of  the  jammed  area.[3]    C.  Spread  Spectrum:    “This  technique  decreases  the  potential  interference  to  other  receivers,  by  making  use  of  a  sequential,  noise-­‐like,  signal  structure  to  spread  the  narrow  band  information  signal  over  a  relatively  wider  (radio)  frequency.  The  receiver  correlates  the  received  signals  to  retrieve  the  original  information  signal  and  hence  prevents  DoS.” [3]  D. Covert  channels:   “In  a  jamming  environment  where  only  the  reception  of  a  packet  is  being  affected,  the  receiver  can  identify  the  reception  of  a  (corrupted)  packet.  By  encoding  data  based  on  the  

inter-­‐arrival  times  between  received  corrupted  packets,  a  low  rate  channel  under  jamming  can  be  established.”  [3]      E.  Protocol  Mechanism  Hopping:    SPREAD  (Second-­‐generation  Protocol  Resiliency  Enabled  by  Adaptive  Diversification),  hides  the  vulnerabilities  that  the  adversary  tries  provides  robustness  against  intelligent  jamming  attacks  by  choosing  and  hopping  across  various  protocol  parameters  based  on  the  strategy  being  used  by  the  jammer.  SPREAD  hinders  the  effectiveness  of  the  jammer  by  hiding  the  underlying  vulnerabilities  that  the  jamming  entity  tries  to  exploit. [3]  F.  Virtual  Server:    This  server  stores  the  copy  of  the  data  in  the  actual  server.  When  an  attacker  is  busy  flooding  the  lines  from  the  server  known  to  him,  the  virtual  server  can  send  the  packets  to  the  legitimate  user.  This  would  not  work  when  the  attacker  tries  to  sabotage  the  network  connecting  to  the  user  instead  of  flooding  the  server.    4.  SECURITY  DESIGN  OF  ONLINE  RADIO    The  security  of  the  online  radio  is  of  prime  importance  as  the  information  being  broadcasted  is  political  and  hence  would  have  more  listeners  and  the  company  cannot  afford  any  mistakes  as  it  would  affect  its  reputation,  lose  audiences  and  the  listeners  would  fail  to  listen  to  the  important  highlights.  [7]  The  policies  of  prime  importance  would  be    

1. Availability:  To  ensure  continuity  of  the  broadcast  without  any  interference,  delays  or  disturbances.  (Uninterrupted,  timely,  secure  or  free  from  error)  

2. Confidentiality  and  integrity  of  the  user’s  log-­‐in  data,  IP  address  3. Anonymity:  if  the  user  does  not  wish  to  log-­‐in  4. Authenticity:  The  details  shared  should  be  authentic  

 The  principals  of  this  system  are  the  users  of  the  online  radio  service,  the  listeners  of  the  radio  interview.  The  assets  for  this  system  are  the  audio  data  streams  and  reputation  of  the  company.  The  trusted  computing  base  would  consist  of  the  database  where  the  audio  files  are  being  stored  after  recording,  the  listeners  who  sign-­‐on,  OS  of  the  listeners,  audio  encoder  and  decoder,  secure  network  and  the  hardware  used  for  the  transmission.  The  threat  model  can  be  described  as  follows;  an  adversary  may  obtain  the  passwords  of  the  users  logged  into  for  using  the  service  or  they  may  jam  the  service  by  any  of  the  DoS  attacks  mentioned  earlier  using  the  resources  like  bandwidth  or  weakness  in  network,  bypass  the  listeners  to  hear  the  show  spoofed  with  their  resources  while  the  actual  show  is  blocked.  In  the  given  scenario  of  recent  DoS  and  blocking,  the  property  that  was  violated  is  “Availability”.    4.1  How  to  ensure  “Availability”  The  availability  of  the  online  radio  can  be  brought  upon  by  efficient  detection  and  prevention  of  DoS  attacks.  The  company  can  try  to  use  the  following  prevention  mechanisms-­‐  spatial  retreats  (as  moving  away  from  the  locality  of  DoS  emitter  would  render  the  attack  useless),  covert  channel,  and  Protocol  mechanism  hopping.  These  mechanisms  are  by  far  the  best  for  an  online  radio  system  as  the  number  of  users  accessing  the  system  is  

unknown  and  the  system  has  a  wide  range  of  audience  who  are  not  confined  to  a  single  area.  An  attacker  should  jam  a  wide  spectrum  to  block  the  availability  of  the  service.  By  implementing  the  covert  channel,  a  low  rate  channel  under  jamming  can  be  established  and  hence  the  availability  would  be  increased.    5.  SECURITY  DESIGN  OF  AN  ONLINE  LOTTERY  SYSTEM    As  we  are  dealing  with  the  money  of  the  users  and  the  company  as  well,  the  security  design  of  the  online  lottery  system  is  more  complicated  than  the  Online  Radio  station.  It  is  to  be  noted  that  the  adversary  for  this  system  can  be  a  user  as  well  as  third  party  agency  or  a  competitor  [8].  The  security  policies  involved  would  be    

1. Availability:  The  user  should  be  able  to  view  the  draws  and  participate  at  anytime  and  at  any  place  (Uninterrupted,  timely,  secure  or  free  from  error)  

2. Confidentiality  and  integrity  of  the  user’s  log-­‐in  data,  IP  address,  logs  of  purchases,  logs  of  victory  

3. Integrity  in  terms  of  giving  the  prize  money  to  the  right  person  4. No  repetition:  Care  should  be  taken  that  no  user  logs  in  twice  from  the  same  account  

at  the  same  instance  to  accept  the  prize,  as  in  some  cases,  the  prize  gets  credited  twice  by  mistake.  

5. Anonymity:  To  safeguard  the  details  of  the  users  from  one  another,  from  third  parties  

 The  principals  of  this  system  are  the  users,  who  have  logged  into  the  service,  participants  of  the  lucky  draw  who  have  bought  the  tickets  in  shops,  lottery  house.  The  assets  of  the  system  are  the  physical,  virtual  lottery  tickets,  unique  number  created  for  the  lottery,  reputation  of  the  lottery  company,  virtual  money.  The  trusted  Computing  base  is  similar  to  that  of  the  Online  Radio  but  has  an  addition  of  Lottery  servers,  which  decide  the  winner  contestants.  The  threat  model  is  similar  to  the  online  radio  but  to  add  upon,  an  adversary  can  be  a  selfish  user  who  tries  to  sabotage  the  network  to  increase  his  winning  chances,  a  user  can  influence  the  random  ticket  chooser  and  hence  win  the    (Elevation  of  privilege).      5.1  How  to  ensure  “Availability”  Availability  being  a  major  responsibility  for  the  system,  the  DoS  prevention  methods  like  frequency  hopping,  spatial  retreats,  spread  spectrum  and  protocol  mechanism  hopping  can  be  used  as  the  system  includes  the  details  of  both  users  who  don’t  use  the  computer  as  well  as  those  who  use.  The  DoS  detection  methods  include  traceback,  backscatter,  spectral,  header  analysis  as  well  as  consistency  check.  Similar  to  the  online  radio  system,  the  adversary  should  jam  a  wide  spectrum  to  block  the  availability  of  the  service.  Using  a  consistency  check  would  work  the  best  in  this  system  as  the  network  traffic  is  highly  regulated  in  this  scheme.                  

6.  ANALYSIS  OF  SECURITY  PRINCIPLES    

POLICY   SIMILARITY   DIFFERENCES  ONLINE  RADIO   ONLINE  LOTTERY  

Security  Policy  

Availability,  Confidentiality  and  Anonymity  

Authenticity   Integrity,  non-­‐repetition  

Access  List  Users  through  web  sign-­‐in   Anonymous  users  who  do  

not  sign  up  Users  who  buy  the  tickets  from  shops  to  participate  

DoS  Prevention  Mechanism  

Spatial  Retreats,  Protocol  mechanism  Hopping  

Covert  Channel   Frequency  hopping,  spread  spectrum,    

DoS  Detection  Mechanism  

Backscatter  Analysis,  Spectral  Analysis,  Consistency  Check  

Wireless  Distributed  Intrusion  detection  system,  Arrival  late  analysis  

Traceback,  Header  analysis  

Adversaries  Access  

DoS  attack,  compromise  Log-­‐in  

1.  Can  listen  to  the  show  and  replay  something  else  2.  Create  Distortions  or  noise  

1.  Can  jam  the  system  and  increase  the  chances  of  winning  2.  Can  influence  the  random  lottery  chooser  to  win  

 SUMMARY    As  the  use  of  Internet  increases  for  day-­‐to-­‐day  activities,  the  security  over  the  Internet  should  also  increase  proportionately.  It  is  therefore  important  to  incorporate  the  standards  discussed  above  to  safeguard  the  Online  Radio  and  Online  Lottery  system  from  actions  of  adversaries,  which  would  cause  unavailability  and  breaches  in  privacy,  secrecy  and  other  policies.      REFERENCES  (Anderson,  1999,  Chung-­‐Ming  Huang  *,  2000,  David  D.  Minter,  Jun.  10,  2003,  Garber,  2000,  Kevin  J.  Houle  and  George  M.  Weaver,  October  2001,  Konstantinos  Pelechrinis,  2011,  Papadopoulos,  2003,  Robert  Ziegler,  Dec.  4,  2004)  

 1.  DAVID  D.  MINTER,  A.  S.  B.  Jun.  10,  2003.  INTERNET  RADIO  SYSTEM  WITH  SELECTIVE  

REPLACEMENT  CAPABILITY.  United  States  patent  application  09/465,740.  Jun.  10,  2003.  

2.  ROBERT  ZIEGLER,  S.,  TX  (US).  Dec.  4,  2004.  METHOD  AND  SYSTEM  FOR  LOTTERY  TRANSACTIONS  OVER  AN  OPEN  NETWORK.  United  States  patent  application  11/005,499.  Jul.  14,  2005.  

3.  KONSTANTINOS  PELECHRINIS,  M.  I.  A.  S.  V.  K.  2011.  Denial  of  Service  Attacks  in  Wireless  Networks:  The  Case  of  Jammers.  VOL.  13,  245  -­‐  257.  

4.  PAPADOPOULOS,  A.  H.  J.  H.  C.  2003.  A  Framework  for  Classifying  Denial  of  Service  Attacks∗.  SIGCOMM’03.  Karlsruhe,  Germany.  

5.  KEVIN  J.  HOULE,  C.  C.  &  GEORGE  M.  WEAVER,  C.  C.  October  2001.  Trends  in  Denial  of  Service  Attack  Technology.  CERT®  Coordination  Center.  Carnegie  Mellon  University:  Carnegie  Mellon  University.  

6.  GARBER,  L.  2000.  Denial-­‐of-­‐Service  Attacks  Rip  the  Internet.  Technology  News.  

7.  CHUNG-­‐MING  HUANG  *,  P.-­‐C.  L.  2000.  IDRS:  an  interactive  digital  radio  station  over  Internet.  The  Journal  of  Systems  and  Software  51  (2000)  51,  229  -­‐  243.  

8.  ANDERSON,  R.  1999.  How  to  Cheat  at  the  Lottery  (or,  Massively  Parallel  Requirements  Engineering).  University  of  Cambridge  Computer  Laboratory,  19  -­‐  28.