[논문 리뷰] Efficient Design for the Implementation of Wong-Lam Multicast Authentication Protocol Using Two-Levels of Parallelism

Ghada F. Elkabbany, Heba K. Aslan|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 19.

Security in Wireless Sensor Networks참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두 수준의 병렬 처리와 UMAC를 활용하여 Wong-Lam 멀티캐스트 인증 프로토콜에 대한 효율적인 하드웨어 설계를 제안한다. 이는 계산 및 통신 오버헤드를 감소시키며, 특히 NTRU 및 타원 곡선 암호화 기법을 사용할 경우 실행 시간을 크게 단축시켜 실시간 응용 분야에 대한 적용 가능성을 높인다. 또한 패킷 손실 및 오염 공격에 대한 저항성도 유지한다.

ABSTRACT

Group communication can benefit from Internet Protocol (IP) multicast protocol to achieve efficient exchange of messages. However, IP multicast does not provide any mechanisms for authentication. In literature, many solutions to solve this problem were presented. It has been shown that Wong and Lam protocol is the only protocol that can resist both packet loss and pollution attacks. In contrast, it has high computation and communication overheads. In the present paper, an efficient design for the implementation of Wong and Lam multicast authentication protocol is proposed. In order to solve the computation overhead problem, we use two-levels of parallelism. To reduce the communication overhead, we use Universal Message Authentication Codes (UMAC) instead of hash functions. The design is analyzed for both NTRU and elliptic curve cryptography signature algorithms. The analysis shows that the proposed design decreases significantly the execution time of Wong-Lam protocol which makes it suitable for real-time applications.

연구 동기 및 목표

• Wong-Lam 멀티캐스트 인증 프로토콜의 높은 계산 및 통신 오버헤드 문제를 해결하기 위해.
• 그룹 통신 시스템에서 프로토콜의 실시간 구현을 가능하게 하기 위해.
• 병렬 처리 및 최적화된 암호화 원리(primitives)를 통해 실행 시간을 단축하기 위해.
• NTRU 및 타원 곡선 암호화(ECC) 서명 체계를 사용하여 성능을 평가하기 위해.
• 기존의 해시 함수를 유니버설 메시지 인증 코드(UMAC)로 대체하여 통신 비용을 낮추기 위해.

제안 방법

• 암호 연산을 가속화하기 위해 작업 수준 및 데이터 수준 병렬 처리를 포함한 두 수준의 병렬 처리를 적용한다.
• 통신 오버헤드를 줄이기 위해 표준 해시 함수를 유니버설 메시지 인증 코드(UMAC)로 대체한다.
• NTRU 및 타원 곡선 암호화(ECC) 서명 생성 및 검증에 최적화된 하드웨어 아키텍처를 설계한다.
• Wong-Lam 프로토콜에 UMAC을 통합하여 더 낮은 대역폭 사용으로도 인증 보안을 유지한다.
• 확장 가능한 그룹 크기와 동적 멤버십 변경을 지원할 수 있도록 설계한다.
• 파이ipel라인 처리 및 병렬 실행 유닛을 사용하여 처리량을 향상시키고 지연 시간을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Wong-Lam 멀티캐스트 인증 프로토콜의 계산 오버헤드는 어떻게 실시간 구현을 위해 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 해시 함수 대신 UMAC을 사용할 경우 프로토콜의 통신 오버헤드는 어느 정도 감소하는가?
• RQ3 이중 병렬 처리 기법은 Wong-Lam 프레임워크 내에서 암호 연산을 얼마나 효과적으로 가속화하는가?
• RQ4 제안된 설계 하에서 NTRU 및 타원 곡선 암호화 기반의 성능 향상은 어떠한가?
• RQ5 제안된 설계는 효율성을 향상시키는 동안 패킷 손실 및 오염 공격에 대한 저항성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 이중 병렬 처리 및 UMAC 통합을 통해 제안된 설계는 Wong-Lam 프로토콜의 실행 시간을 크게 감소시킨다.
• 기존의 해시 함수를 UMAC로 대체함으로써 통신 오버헤드가 감소하여 대역폭 소비가 줄어든다.
• NTRU 및 타원 곡선 암호화(ECC) 서명 체계 모두에서 설계는 상당한 성능 향상을 달성한다.
• 최적화된 구현 하에서 프로토콜은 패킷 손실 및 오염 공격에 대해 여전히 안전하다.
• 실행 시간 감소 덕분에 프로토콜은 실시간 그룹 통신 응용 분야에 적합해진다.
• UMAC의 사용은 계산 및 전송 비용을 최소화하면서도 강력한 인증 보장을 유지한다.