[논문 리뷰] Hiding Data in Plain Sight: Undetectable Wireless Communications Through Pseudo-Noise Asymmetric Shift Keying

Salvatore D’Oro, Francesco Restuccia외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 06.

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한 줄 요약

이 논문은 주로 위상변조 기반 신호(예: 8-PSK)의 진폭을 미세하게 이동시켜 데이터를 임bed하는 코어트 무선 통신 기법 PN-ASK를 제안한다. 이 방식은 코어트 신호를 채널 잡음과 구분할 수 없도록 하여 탐지 불가능하게 만들며, 이전 기법 대비 8배 이상 높은 전송률을 달성하고, 하드웨어 수정 없이 표준 WiFi 프레임에서 감추어진 고속 전송을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Undetectable wireless transmissions are fundamental to avoid eavesdroppers. To address this issue, wireless steganography hides covert information inside primary information by slightly modifying the transmitted waveform such that primary information will still be decodable, while covert information will be seen as noise by agnostic receivers. Since the addition of covert information inevitably decreases the SNR of the primary transmission, key challenges in wireless steganography are: i) to assess the impact of the covert channel on the primary channel as a function of different channel conditions; and ii) to make sure that the covert channel is undetectable. Existing approaches are protocol-specific, also we notice that existing wireless technologies rely on phase-keying modulations that in most cases do not use the channel up to its Shannon capacity. Therefore, the residual capacity can be leveraged to implement a wireless system based on a pseudo-noise asymmetric shift keying (PN-ASK) modulation, where covert symbols are mapped by shifting the amplitude of primary symbols. This way, covert information will be undetectable, since a receiver expecting phase-modulated symbols will see their shift in amplitude as an effect of channel/path loss degradation. We first investigate the SER of PN-ASK as a function of the channel; then, we find the optimal PN-ASK parameters that optimize primary and covert throughput under different channel condition. We evaluate the throughput performance and undetectability of PN-ASK through extensive simulations and on an experimental testbed based on USRP N210 software-defined radios. We show that PN-ASK improves the throughput by more than 8x with respect to prior art. Finally, we demonstrate through experiments that PN-ASK is able to transmit covert data on top of IEEE 802.11g frames, which are correctly decoded by an off-the-shelf laptop WiFi.

연구 동기 및 목표

• 검열이나 감시가 있는 환경에서 탐지 불가능한 무선 통신의 필수적 필요를 해결하기 위해.
• 기존의 프로토콜 전용 스테가노그래픽 기법들이 주 채널 성능을 떨어뜨리고 일반화 가능성에 한계가 있다는 문제를 해결하기 위해.
• 위상변조 시스템(예: BPSK, QPSK)에서 사용되지 않는 채널 용량을 활용하여, 진폭 변동을 통해 코어트 신호를 전송하기 위해.
• 다양한 채널 조건에서 주 채널과 코어트 채널의 심볼 오류율(SER)을 수학적으로 분석하고 최적화하기 위해.
• 소프트웨어 정의 무선 실험과 실제 WiFi 통합을 통해 실용성과 고성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• 코어트 신호를 주 위상변조 신호의 진폭을 이동시켜 표현하는 의사노이즈 비대칭 시프팅 키싱(PN-ASK)을 제안하며, 이때 위상은 유지된다.
• 경로 손실 및 코어트 전송으로 인한 신호 대 잡음비(SNR) 저하를 포함한 채널 조건을 고려해 PN-ASK의 심볼 오류율(SER)을 함수로 모델링한다.
• 다양한 SNR 및 경로 손실 조건에서 주 채널과 코어트 채널의 전송률을 최대화하기 위해 최적의 PN-ASK 파rameter(예: 코어트 심볼 수준 수, 진폭 이동량)를 유도한다.
• GNU Radio를 사용해 USRP N210 소프트웨어 정의 무선에서 PN-ASK를 구현하여 주 신호 및 코어트 데이터 스트림의 실시간 전송 및 수신을 가능하게 한다.
• 표준 IEEE 802.11g 프레임 내에 코어트 데이터를 임베딩하는 PN-ASK-WiFi를 개발하여, 모니터 모드에서 작동하는 표준 WiFi 카드와의 호환성을 확보한다.
• Wireshark와 자체 개발한 USRP 기반 수신기로 주 프레임의 정확한 복원 및 코어트 메시지의 추출을 검증하였으며, 표준 WiFi 하드웨어나 펌웨어를 수정하지 않았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주 무선 전송에 영향을 주지 않으면서도 주 채널의 신뢰성이나 탐지 가능성에 영향을 주지 않고 코어트 데이터를 어떻게 임베딩할 수 있는가?
• RQ2 경로 손실 및 신호 대 잡음비(SNR)와 같은 다양한 채널 조건에서 주 채널과 코어트 채널의 전송률 간 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 PN-ASK는 표준 위상변조 신호를 수신하는 수신기들이 보기에는 정상적인 채널 페이딩 또는 경로 손실 효과로 간주될 수 있도록 하여, 탐지 불가능한 고속 코어트 전송을 달성할 수 있는가?
• RQ4 PN-ASK는 간섭과 하드웨어 제약 조건이 존재하는 실세계 환경에서 이전의 스테가노그래픽 방법에 비해 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 PN-ASK는 하드웨어 수정 없이 널리 보급된 무선 표준인 IEEE 802.11g과 얼마나 잘 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 2.5 MHz 대역에서 PN-ASK는 심한 간섭 조건에서도 소프트웨어 기반 DSP를 사용한 USRP N210 무선기에서 약 1.5 Mbit/s의 코어트 전송률을 달성한다.
• 최신 기술인 DTY-PSK 대비 전송률을 8배 이상 향상시켰으며, 사무실 환경과 복도 환경에서 각각 6.28배와 8.37배의 성능 향상을 기록했다.
• 표준 오프더쇼프 WiFi 카드를 사용해 주 프레임이 하드웨어나 펌웨어 수정 없이 정상적으로 복원되었으며, 이는 호환성과 투명성을 확인한다.
• 코어트 데이터는 위상변조 신호를 수신하는 수신기가 진폭 이동를 정상적인 채널 페이딩 또는 경로 손실 효과로 간주하기 때문에 탐지 불가능하다.
• 수학적 분석을 통해 PN-ASK 파rameter가 주어진 SNR 및 경로 손실 조건에 최적화될 경우 주 채널과 코어트 채널의 심볼 오류율(SER)이 최소화됨을 확인하였다.
• 실험 결과 PN-ASK는 다중경로 페이딩과 ISM 대역 간섭과 같은 실세계 제약 조건에도 강건하며, 다양한 환경에서 높은 성능을 유지함을 입증하였다.