[論文レビュー] An Authentication Code against Pollution Attacks in Network Coding

Frédérique Oggier, Hanane Fathi|ArXiv.org|Sep 17, 2009

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、マルチキャストネットワークコーディングにおける無条件安全な認証コードを提案し、中間ノードが復号せずにパケットの整合性と送信元を検証できるようにすることで、悪意あるパケットを中継中に検出・破棄できる。この方式は、外部攻撃者および最大 $k-1$ 人の内部者による共謀攻撃に対しても強固な保護を提供し、ネットワークの汚染度が高くなるにつれて、効率（goodput）が1に近づく。

ABSTRACT

Systems exploiting network coding to increase their throughput suffer greatly from pollution attacks which consist of injecting malicious packets in the network. The pollution attacks are amplified by the network coding process, resulting in a greater damage than under traditional routing. In this paper, we address this issue by designing an unconditionally secure authentication code suitable for multicast network coding. The proposed scheme is robust against pollution attacks from outsiders, as well as coalitions of malicious insiders. Intermediate nodes can verify the integrity and origin of the packets received without having to decode, and thus detect and discard the malicious messages in-transit that fail the verification. This way, the pollution is canceled out before reaching the destinations. We analyze the performance of the scheme in terms of both multicast throughput and goodput, and show the goodput gains. We also discuss applications to file distribution.

研究の動機と目的

• ネットワークコーディングにおける深刻なセキュリティ脆弱性である汚染攻撃（悪意あるパケットが符号化によって増幅され、広範に拡散される）を解消すること。
• 無条件安全な条件下で、データの整合性と送信元認証を両立する認証方式を設計すること。
• 中間ノードが復号を伴わずにパケットの真正性を検証できることを可能にし、悪意あるパケットの早期検出と破棄を実現すること。
• 外部攻撃者だけでなく、最大 $k-1$ 人の悪意ある内部者による共謀に対しても安全であることを保証すること。
• 1つの鍵で大容量ファイルの認証を可能とし、IPベースのネットワークにおける効率的なファイル配布を実現する。また、スループットとグッドプットの性能解析を実施すること。

提案手法

• 情報理論的原則に基づく無条件安全な認証コードを用い、計算能力に制限のない攻撃者に対しても安全であることを保証する。
• 送信元が送信する各メッセージに、共有秘密鍵と有限体上の線形代数的構成を用いて生成された固有の認証タグ（「タグ」とも）を付加する。
• 中間ノードが、符号化データを復号せずとも、共有鍵を用いてタグの正当性を検証できるようにする。
• タグ方式の無条件安全特性により、パケットの改ざんや偽造が確率1で検出されることを保証する。
• 各メッセージを $N$ 個のIPパケット（1500バイトずつ）のグループ（世代）に分割し、1つのメッセージに対して1つのタグを付与することで、大規模なファイル配布に適したスケーラブルな構造を実現する。
• 1つの鍵で認証可能なメッセージ数 $M$ に課される制約を定義する：$M \geq n$（送信元メッセージ数）および $M \geq H$（悪意ある共謀における最大インバウンドエッジ数）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチキャストネットワークコーディング環境において、無条件安全を実現する認証方式をどのように設計できるか？
• RQ2 中間ノードが復号を伴わずにパケットの真正性を検証できることで、悪意あるパケットの早期検出が可能になるか？
• RQ3 鍵の再利用の限界は、認証可能なメッセージ数と悪意ある共謀の規模の観点からどのように定まるか？
• RQ4 ネットワークの汚染度が変化する条件下で、提案方式がマルチキャストスループットとグッドプットに与える影響は何か？
• RQ5 標準的なパケットサイズを想定したIPベースのネットワークにおいて、本方式を用いたファイル配布の実用的パrameterは何か？

主な発見

• 提案された認証コードは無条件安全を満たしており、いかなる悪意あるパケットの注入や改ざんも確率1で検出される。
• 中間ノードが復号を伴わずにパケットの真正性を検証でき、汚染されたパケットがさらに広がる前にリアルタイムで検出・破棄できる。
• ネットワーク汚染度が高くなるにつれて、グッドプットの増加が1に近づくことが確認され、クリーンなネットワークではほぼ完全な効率性を達成している。
• 1つの鍵で最大 $18N^2$ メガバイトのファイルデータを認証可能であり、$N$ は1つのメッセージ生成あたりのIPパケット数を表す。
• 18MBのファイルの場合、1IPパケット（1500バイト）ごとに1つのタグ付きメッセージを送信するだけで十分であり、同じ鍵で12,000件のメッセージを認証可能である。
• 1.8GBのファイルの場合、各メッセージが10個のIPパケットを含むと仮定すると、同じ鍵で120,000件の認証済みメッセージを処理可能である。