[论文解读] An Information-Theoretic Analysis of the Security of Communication Systems Employing the Encoding-Encryption Paradigm

Frédérique Oggier, Miodrag J. Mihaljević|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2010

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 15被引用 3

一句话总结

本文提出通过集成同音窃听信道编码器以引入纯粹随机性，来增强编码-加密范式下通信系统的安全性——即在加密前对数据进行编码以保证可靠性。该方法增加了攻击者对密钥的不确定性，而随着收集样本数量的增加，这种不确定性逐渐降低，表明信息论安全在达到某一样本阈值后会退化为计算安全需求。

ABSTRACT

This paper proposes a generic approach for providing enhanced security to communication systems which encode their data for reliability before encrypting it through a stream cipher for security. We call this counter-intuitive technique the {\em encoding-encryption} paradigm, and use as motivating example the standard for mobile telephony GSM. The enhanced security is based on a dedicated homophonic or wire-tap channel coding that introduces pure randomness, combined with the randomness of the noise occurring over the communication channel. Security evaluation regarding recovery of the secret key employed in the keystream generator is done through an information theoretical approach. We show that with the aid of a dedicated wire-tap encoder, the amount of uncertainty that the adversary must face about the secret key given all the information he could gather during different passive or active attacks he can mount, is a decreasing function of the sample available for cryptanalysis. This means that the wire-tap encoder can indeed provide an information theoretical security level over a period of time, but after a large enough sample is collected the function tends to zero, entering a regime in which a computational security analysis is needed for estimation of the resistance against the secret key recovery.

研究动机与目标

• 增强使用纠错编码后接流密码加密的通信系统的密码安全性。
• 解决纠错编码引入的冗余数据在已知明文攻击背景下带来的漏洞。
• 使用信息论方法评估此类系统在被动与主动敌手模型下的安全性。
• 设计一种框架，使专用窃听信道编码器产生的纯粹随机性与信道噪声相结合，以增加密钥歧义性。
• 表征随着攻击者收集更多数据，信息论安全向计算安全过渡的过程。

提出的方法

• 在加密前引入线性分组同音编码与纠错编码的级联结构，替代传统的仅使用ECC的编码方式。
• 使用同音编码器将m'-比特输入（m个信息比特 + m'-m个随机比特）映射为m'-比特输出，通过受控的随机性增加冗余度。
• 对同音编码器的输出应用纠错编码，生成用于加密的最终n比特码字。
• 采用窃听信道编码框架，将攻击者的观察建模为对加密码字的噪声观测。
• 分析密钥歧义性作为收集样本数量的函数，使用信息论度量量化攻击者对密钥的不确定性。
• 推导出歧义性随样本数量增加而减少，趋于零，表明信息论安全向计算安全的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在编码-加密范式中集成同音编码是否能提高攻击者对密钥的不确定性？
• RQ2 随着收集样本数量的增加，对密钥的不确定性（歧义性）如何变化？
• RQ3 信道噪声与纯粹随机性在提升此类系统信息论安全中的作用是什么？
• RQ4 信息论安全在何时失效，从而需要引入计算安全分析？
• RQ5 具备修改挑战并观察结果能力的主动攻击者模型如何影响安全评估？

主要发现

• 所提出的结合同音编码的编码-加密方案提高了密钥歧义性，为有限时间段内提供信息论安全。
• 对密钥的不确定性随收集样本数量的增加而降低，样本量足够大时趋于零。
• 在收集足够大的样本量后，系统从信息论安全过渡到计算安全，需额外分析以确保抵抗密钥恢复。
• 来自窃听信道编码器的纯粹随机性与固有信道噪声的结合，显著增加了攻击者恢复密钥的难度。
• 该安全增强方法具有通用性，适用于已使用编码-加密范式的系统（如GSM）。
• 所提级联编码方案的实现复杂度与仅使用标准纠错编码的方案大致相当。