[논문 리뷰] PSAA: Provable Secure and Anti-Quantum Authentication Based on Randomized RLWE for Space Information Network

Junyan Guo, Ye Du외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 01.

Satellite Communication Systems인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 랜덤화된 린지 러닝 위드 에러(RLWE) 기반으로, 우주 정보 네트워크(SIN)를 위한 증명 가능하게 안전하고 양자 컴퓨팅에 강건한 인증 프로토콜인 PSAA를 제안한다. 이 프로토콜은 위성-지상 간 전송을 두 번으로 최소화하고 상호 인증 및 세션 키 협상 기능을 제공함으로써 인증 지연을 21.767 ms로 감소시킨다. 프로토콜은 양자 공격에 저항하며, 동적 위성 구조에서의 핸드오버를 지원한다.

ABSTRACT

Currently, due to the high scalability and global coverage of space information network (SIN), more service providers and users are willing to provide or subscribe to personal services through the satellite network. However, the messages are transmitted in public satellite-ground links, which makes access users vulnerable to various forms of attacks. Existing authentication protocols do not meet the expected security and short delay requirements to ensure the security of real-time user access and the confidentiality of communication content. Moreover, with the development of quantum computers, the difficult problems such as ECDLP and DLP have also been proven to be solvable in polynomial time, leading to new threats. Therefore, in this paper, we propose a provably secure and anti-quantum authentication protocol based on randomized RLWE. The protocol not only meets the pre-defined security requirements, but also reduces the total delay of the authentication phase based on the pre-negotiation and fewer authentication transmission. In addition, a concise handover scheme is designed for signal handover scenarios caused by satellite dynamic topology. Further rigorous formal and informal security proofs and performance analysis show that our proposed protocol is more applicable to SIN, while ensuring higher security and resisting various attacks with lower authentication delay.

연구 동기 및 목표

• 상호 인증 및 키 협상 기능을 지원하는 증명 가능하게 안전하고 양자에 강건한 인증 프로토콜이 우주 정보 네트워크(SIN)에 부족한 문제를 해결한다.
• 양자 이후 시대에 쇼어 알고리즘에 취약한 기존 DLP 및 ECDLP 기반 프로토콜의 한계를 극복한다.
• 동적 위성 구조에서 강력한 보안 보장을 유지하면서 SIN 내 인증 지연과 통신 오버헤드를 최소화한다.
• 이동 중인 SIN 환경에서 위성 간 사용자 전환을 원활하게 지원하기 위해 핸드오버 검증 메커니즘을 설계한다.
• 개방된 위성 링크에서 일반적인 공격, 예를 들어 재생 공격, 위조 공격, 키 재사용 공격 및 중간자 공격에 저항한다.

제안 방법

• 랜덤화된 RLWE를 활용해 예측 불가능한 랜덤 샘플을 생성함으로써 키 재사용을 방지하고 암호 분석 측면에서의 사이드 채널 공격 및 재생 공격에 대한 보안을 강화한다.
• 위성은 신뢰할 수 있는 릴레이 역할을 하며, 두 메시지 단계의 인증 프로세스를 도입함으로써 사용자와 TCS가 오직 두 번의 왕복 전송으로만 세션 키를 협상할 수 있도록 한다.
• 링 구조를 가진 격자 기반 암호 기법(RLWE)을 사용해 양자 저항성을 확보하며, 기존의 DLP 및 ECDLP와 같은 고전적 난이도 문제를 대체한다.
• 다음 위성과 사용자가 위성 전환 중에 상호 인증하고 세션 키를 재협상할 수 있도록 핸드오버 단계 프로토콜을 설계한다.
• 랜덤 오라클 모델(ROM)과 AVISPA 도구를 사용해 공식적으로 보안을 증명하며, 동시에 의미론적 보안 및 알려진 공격에 대한 저항성에 대한 비공식적 분석도 제공한다.
• 사전 협상 및 병렬 메시지 전송 최적화를 통해 계산 오버헤드를 줄여 총 인증 지연을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 랜덤화된 RLWE 기반의 격자 기반 인증 프로토콜이 SIN에서 증명 가능하게 안전하고 양자에 강건한 보장을 달성할 수 있는가?
• RQ2 SIN에서 인증 지연을 줄이기 위해 위성-지상 간 전송 횟수를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ3 동적 SIN 구조에서 위성 전환 중에 안전한 상호 인증 및 세션 키 협상을 지원하기 위해 어떤 메커니즘이 필요한가?
• RQ4 제안된 프로토콜이 재생 공격, 위조 공격 및 키 재사용 공격과 같은 알려진 공격에 얼마나 잘 저항하는가?
• RQ5 지연, 통신 오버헤드 및 계산 비용 측면에서 기존 프로토콜과 비교해 제안된 프로토콜의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• PSAA 프로토콜은 통신 오버헤드가 더 높음에도 불구하고, [10]과 [25]보다 각각 약 20 ms와 40 ms 빠른 인증 지연 21.767 ms를 달성한다.
• 사용자, 위성, TCS의 기여도가 최적화된 RLWE 연산을 통해 균형 잡힌 총 계산 오버헤드 1.767 ms를 달성한다.
• RLWE의 큰 격자 요소로 인해 총 통신 오버헤드는 38,488 비트에 이르지만, 이는 향상된 보안성과 양자 저항성으로 인해 정당화된다.
• 프로토콜은 위성 간 안전한 핸드오버를 지원하여 신호 전환 중에 상호 인증 및 세션 키 재협상을 가능하게 한다.
• ROM 및 AVISPA 도구를 사용한 공식적 보안 분석을 통해 프로토콜의 의미론적 보안성과 위조, 재생, 키 재사용 공격에 대한 저항성이 확인된다.
• [8] 및 [9]과 비교해 PSAA는 약간 더 높은 지연을 보이지만, 훨씬 강력한 양자 이후 보안성을 제공하므로 향후 SIN 구축에 더 적합하다.