[论文解读] An Authentication Code against Pollution Attacks in Network Coding

Frédérique Oggier, Hanane Fathi|ArXiv.org|Sep 17, 2009

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 17被引用 5

一句话总结

本文提出了一种针对多播网络编码的无条件安全认证码，使中间节点能够在不解码的情况下验证数据包的完整性和来源，从而在传输过程中检测并丢弃恶意数据包。该方案可有效防范来自外部和最多 $k-1$ 名内部合谋者的污染攻击，随着网络污染程度的增加，吞吐量增益趋近于 1。

ABSTRACT

Systems exploiting network coding to increase their throughput suffer greatly from pollution attacks which consist of injecting malicious packets in the network. The pollution attacks are amplified by the network coding process, resulting in a greater damage than under traditional routing. In this paper, we address this issue by designing an unconditionally secure authentication code suitable for multicast network coding. The proposed scheme is robust against pollution attacks from outsiders, as well as coalitions of malicious insiders. Intermediate nodes can verify the integrity and origin of the packets received without having to decode, and thus detect and discard the malicious messages in-transit that fail the verification. This way, the pollution is canceled out before reaching the destinations. We analyze the performance of the scheme in terms of both multicast throughput and goodput, and show the goodput gains. We also discuss applications to file distribution.

研究动机与目标

• 解决网络编码中污染攻击这一关键安全漏洞，即恶意数据包经编码后被放大并广泛传播。
• 设计一种在无条件安全条件下确保数据完整性和数据来源认证的认证方案。
• 使中间节点能够在不解码的情况下验证数据包的真实性，从而实现对恶意数据包的早期检测和丢弃。
• 确保对最多 $k-1$ 名恶意内部合谋者的安全防护，而不仅限于外部攻击者。
• 支持使用单个密钥对大型文件进行高效文件分发，适用于基于 IP 的网络，同时对吞吐量和吞吐量增益进行性能分析。

提出的方法

• 采用基于信息论原理的无条件安全认证码，确保即使面对计算能力无限的攻击者也具备安全性。
• 为源节点发送的每条消息附加一个唯一的认证标签（或称“标签”），该标签通过共享密钥和有限域上的线性代数构造生成。
• 允许中间节点通过共享密钥检查标签来验证传入数据包的真实性，而无需解码编码后的数据。
• 由于标签方案具有无条件安全特性，任何对数据包的修改或伪造都将被以概率 1 检测到。
• 将消息划分为每代包含 $N$ 个 IP 数据包（每个 1500 字节）的分组，每条消息由一个标签认证，从而实现可扩展的文件分发。
• 定义单个密钥可认证的消息数量 $M$ 的约束条件：$M \geq n$（源消息数量）且 $M \geq H$（恶意合谋中入边的最大数量）。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种认证方案，使其在多播网络编码环境中实现无条件安全？
• RQ2 中间节点能否在不解码的情况下验证数据包的真实性，从而实现对恶意数据包的早期检测？
• RQ3 在认证消息数量和恶意合谋规模方面，密钥复用的极限是什么？
• RQ4 在不同网络污染水平下，该方案对多播吞吐量和吞吐量增益有何影响？
• RQ5 在基于 IP 的网络中，使用标准数据包大小时，该方案在文件分发中的实用参数是什么？

主要发现

• 所提出的认证码提供无条件安全，确保任何恶意数据包注入或修改均以概率 1 被检测到。
• 中间节点可在不解码的情况下验证数据包的真实性，从而实现实时检测并丢弃污染数据包，防止其进一步传播。
• 随着被污染数据包比例的增加，该方案实现的吞吐量增益趋近于 1，表明在干净网络中效率接近完美。
• 单个密钥可认证高达 $18N^2$ MB 的文件数据，其中 $N$ 为每条消息生成中的 IP 数据包数量。
• 对于 18 MB 的文件，每条 IP 数据包（1500 字节）对应一个带标签的消息已足够，需用同一密钥认证 12,000 条消息。
• 对于 1.8 GB 的文件，当每条消息通过 10 个 IP 数据包承载时，该方案可支持 120,000 条经认证的消息，且使用同一密钥。