[논문 리뷰] Multi-factor Physical Layer Security Authentication in Short Blocklength Communication

Miroslav Mitev, Mahdi Shekiba-Herfeh외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 27.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 57인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 저지연 IoT 응용을 위한 경량이며 다중 요소 물리 계층 보안 인증 프로토콜을 제안한다. 이는 물리적 불복제성 기능(PUFs), 이동성 기반 근접도 측정, 무선 fading 계수로부터의 비밀 키 생성(SKG)을 결합한다. 짧은 블록길이 코드(LDPC, BCH, Polar-Slepian-Wolf)를 사용하여 높은 성능의 SKG를 구현하고, BAN/MB 논리 및 Tamarin-prover를 통한 공식적 보안 검증을 통해 0-RTT 재시작을 실현하여 빠르고 향후 기밀성 보장이 되는 상호 인증을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Lightweight and low latency security schemes at the physical layer that have recently attracted a lot of attention include: (i) physical unclonable functions (PUFs), (ii) localization based authentication, and, (iii) secret key generation (SKG) from wireless fading coefficients. In this paper, we focus on short blocklengths and propose a fast, privacy preserving, multi-factor authentication protocol that uniquely combines PUFs, proximity estimation and SKG. We focus on delay constrained applications and demonstrate the performance of the SKG scheme in the short blocklength by providing a numerical comparison of three families of channel codes, including half rate low density parity check codes (LDPC), Bose Chaudhuri Hocquenghem (BCH), and, Polar Slepian Wolf codes for n=512, 1024. The SKG keys are incorporated in a zero-round-trip-time resumption protocol for fast re-authentication. All schemes of the proposed mutual authentication protocol are shown to be secure through formal proofs using Burrows, Abadi and Needham (BAN) and Mao and Boyd (MB) logic as well as the Tamarin-prover.

연구 동기 및 목표

• 지연 제약이 있는 IoT 및 URLLC 시스템에서 저지연, 경량 상호 인증 문제를 해결한다.
• 자원 제약이 있는 장치와 양자 컴퓨팅 이후 위협에 대비한 기존 암호 기법의 한계를 극복한다.
• PUFs, 근접도 추정, SKG와 같은 다수의 물리 계층 보안 원리를 통합하여 통합적이고 프라이버시를 보존하는 인증 프레임워크를 구축한다.
• 실제 채널 코드를 사용하여 짧은 블록길이 영역(n=512, 1024)에서 SKG의 실현 가능성과 성능을 입증한다.
• BAN 논리, MB 논리, Tamarin-prover를 사용하여 보안 성질을 공식적으로 검증함으로써 기밀성, 진술성, 향후 기밀성 보장을 확보한다.

제안 방법

• 강력한 장치 인증을 위한 하드웨어 기반 챌린지-응답 메커니즘으로 물리적 불복제성 기능(PUFs)을 활용한다.
• 무선 신호 상호성에 기반한 이동성 기반 근접도 추정을 통해 장치 간 근접도를 측정하고 위조 공격을 방지한다.
• 짧은 블록길이 무선 fading 계수에 Slepian-Wolf 코딩을 적용하여 효율적인 조정을 가능하게 하는 비밀 키를 생성한다.
• 짧은 블록길이(n=512, 1024)에서의 SKG 성능을 비교하기 위해 반율 LDPC, BCH, Polar-Slepian-Wolf 코딩의 세 가지 조정 코딩 가족을 비교한다.
• 생성된 키를 0라운드트립타임(0-RTT) 재시작 프로토콜에 통합하여 빠른 재인증과 향후 기밀성 보장을 실현한다.
• 기밀성, 합의, 익명성 등을 확보하기 위해 Burrows-Abadi-Needham(BAN) 논리, Mao-Boyd(MB) 논리, Tamarin-prover를 사용하여 보안 성질을 공식적으로 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PUFs, 근접도 추정, SKG를 결합한 다중 요소 물리 계층 인증 프로토콜이 짧은 블록길이 통신 환경에서 저지연 상호 인증을 달성할 수 있는가?
• RQ2 다양한 Slepian-Wolf 조정 코딩(LDPC, BCH, Polar-Slepian-Wolf)이 짧은 블록길이 제약(n=512, 1024) 하에서 키 생성률과 오류 수정 성능 측면에서 어떻게 성능을 내는가?
• RQ3 이동성 기반 근접도 감지가 IoT 환경에서 위조 공격을 방지하기 위해 저비용이며 프라이버시를 보존하는 방법으로 유용한가?
• RQ4 제안된 0-RTT 재시작 프로토콜이 자원 제약이 있는 IoT 시스템에서 향후 기밀성과 재생 공격에 대한 저항성을 어느 정도 확보하는가?
• RQ5 BAN, MB 논리 및 Tamarin-prover를 사용한 공식적 검증이 실제 위협 모델 하에서 제안된 프로토콜의 보안 성질을 보장할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 SKG 기법은 짧은 블록길이 코드를 사용하여 낮은 오류율로 높은 키 생성률을 달성하며, n=512 및 n=1024 영역에서 Polar-Slepian-Wolf 코딩이 뛰어난 성능을 보였다.
• 수치적 비교 결과, 반율 LDPC, BCH, Polar-Slepian-Wolf 코딩 모두 짧은 블록길이에서의 SKG에 실현 가능하며, Polar-Slepian-Wolf 코딩은 복잡성 대비 성능의 유리한 트레이드오프를 제공한다.
• 실생활 실험을 통해 BLE 네트워크에서 이동성 기반 근접도 감지의 실현 가능성을 검증하였으며, 신뢰성 있고 저복잡도의 근접도 추정이 가능함을 입증하였다.
• 0-RTT 재시작 프로토콜은 향후 기밀성 보장이 되는 빠른 재인증을 가능하게 하여 전통적 방법 대비 지연을 크게 감소시켰다.
• Tamarin-prover를 사용한 공식적 검증을 통해 제안된 프로토콜이 지정된 위협 모델 하에서 기밀성, 상호 인증, 비단사적 합의, 추적 불가능성을 모두 확인하였다.
• PUFs, 근접도 추정, SKG의 통합은 위조, 재생, 키 유출 공격에 저항하면서도 사용자 프라이버시를 유지하는 다중 요소 프로토콜을 제공한다.