[論文レビュー] PSAA: Provable Secure and Anti-Quantum Authentication Based on Randomized RLWE for Space Information Network

Junyan Guo, Ye Du+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2022

Satellite Communication Systems被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ランダム化されたRing Learning With Errors（RLWE）に基づき、Provably Secureかつ耐量子計算の認証プロトコルであるPSAAを提案する。このプロトコルは、衛星から地上への通信を2ラウンドに制限することで認証遅延を21.767 msに低減し、相互認証およびセッション鍵交渉を可能にする。プロトコルは量子攻撃に対して耐性を持ち、動的衛星トポロジーにおけるハンドオーバーをサポートする。

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.

研究の動機と目的

• Space Information Networks（SIN）において、相互認証および鍵交渉をサポートする、Provably Secureかつ耐量子計算の認証プロトコルが不足している問題に対処する。
• 後量子時代においてショアのアルゴリズムによる攻撃を受けやすい従来のDLPおよびECDLPに基づくプロトコルの限界を克服する。
• 動的衛星トポロジー下でも強固なセキュリティ保証を維持しながら、SINにおける認証遅延および通信オーバーヘッドを低減する。
• 移動型SIN環境におけるユーザーの衛星間シームレスな移行をサポートするため、ハンドオーバー検証メカニズムを設計する。
• オープンな衛星リンクにおけるリプレイ攻撃、なりすまし攻撃、鍵再利用攻撃、MITM攻撃などの一般的な攻撃に対して抵抗性を確保する。

提案手法

• ランダム化RLWEを活用し、予測不可能なランダムサンプルを生成することで、鍵再利用を防止し、暗号解析的側帯攻撃およびリプレイ攻撃に対するセキュリティを強化する。
• 衛星が信頼できるリレ一として機能する2メッセージ認証フェーズを導入し、ユーザーとTCSが2回の往復通信でセッション鍵を交渉可能にする。
• Latticeベースの暗号方式にリング構造（RLWE）を適用することで、量子計算に対する耐性を確保し、DLPやECDLPといった古典的難問に代わる。
• 衛星遷移中の次なる衛星とユーザーが相互に認証し、セッション鍵を再交渉できるハンドオーバーフェーズプロトコルを設計する。
• ランダムオракルモデル（ROM）およびAVISPAツールを用いた形式的証明に加え、意味的セキュリティおよび既知の攻撃に対する耐性についての非形式的分析も提供する。
• 事前交渉および並列メッセージ送信による最適化により、計算オーバーヘッドを低減し、合計認証遅延を短縮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダム化RLWEに基づくLatticeベースの認証プロトコルは、SINにおいてProvably Secureかつ耐量子計算の特性を達成できるか？
• RQ2 SINにおける認証遅延を低減するために、衛星から地上への通信ラウンド数をどのように最小化できるか？
• RQ3 動的SINトポロジーにおける衛星ハンドオーバー時、安全な相互認証およびセッション鍵交渉を実現するためのメカニズムは何か？
• RQ4 提案されたプロトコルは、リプレイ攻撃、なりすまし攻撃、鍵再利用攻撃といった既知の攻撃に対してどの程度耐性を示すか？
• RQ5 遅延、通信オーバーヘッド、計算コストの観点から、既存プロトコルと比較して、提案プロトコルのパフォーマンスはどの程度か？

主な発見

• PSAAプロトコルは認証遅延を21.767 msに低減し、[10]および[25]と比較してそれぞれ約20 msおよび40 msの低減を達成したが、通信オーバーヘッドはやや高い。
• 合計計算オーバーヘッドは1.767 msであり、最適化されたRLWE演算により、ユーザー、衛星、TCSの各負荷がバランスされている。
• 通信オーバーヘッドは、RLWEにおける大きなラティス要素の影響で合計38,488ビットに達するが、セキュリティと量子計算耐性の向上を理由に正当化される。
• プロトコルは衛星間での安全なハンドオーバーをサポートし、信号ハンドオーバー中に相互認証およびセッション鍵の再交渉を可能にする。
• ROMおよびAVISPAを用いた形式的セキュリティ分析により、プロトコルの意味的セキュリティおよびなりすまし、リプレイ、鍵再利用攻撃に対する耐性が確認された。
• [8]および[9]と比較して、PSAAはわずかに遅延が高いが、はるかに強い耐量子計算セキュリティを提供するため、将来的なSIN展開に適している。