[论文解读] 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)|Jul 19, 2012

Security in Wireless Sensor Networks参考文献 36被引用 4

一句话总结

本文提出了一种高效的硬件设计，用于Wong-Lam组播认证协议，通过两级并行处理和UMAC技术，降低计算和通信开销。该方法显著减少了执行时间，尤其是在NTRU和椭圆曲线密码学（ECC）环境下，使协议适用于实时应用，同时保持对数据包丢失和污染攻击的抵抗能力。

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.

研究动机与目标

• 解决Wong-Lam组播认证协议中存在的高计算和通信开销问题。
• 实现在组通信系统中协议的实时部署。
• 通过并行处理和优化的密码原_primitive，降低执行时间。
• 使用NTRU和椭圆曲线密码学（ECC）签名方案对性能进行评估。
• 用通用消息认证码（UMAC）替代传统哈希函数，以降低通信成本。

提出的方法

• 采用两级并行处理：任务级并行和数据级并行，以加速密码运算。
• 用通用消息认证码（UMAC）替代标准哈希函数，以降低通信开销。
• 设计针对NTRU和椭圆曲线密码学（ECC）签名生成与验证优化的硬件架构。
• 将UMAC集成到Wong-Lam协议中，以在降低带宽使用的同时保持认证安全性。
• 构建支持可扩展组大小和动态成员变更的架构。
• 使用流水线处理和并行执行单元，以提高吞吐量并减少延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何降低Wong-Lam组播认证协议中的计算开销，以实现实时部署？
• RQ2 使用UMAC替代哈希函数在协议中能多大程度上降低通信开销？
• RQ3 两级并行处理在Wong-Lam框架内加速密码运算方面的有效性如何？
• RQ4 在所提设计下，NTRU和椭圆曲线密码学在性能上实现了哪些提升？
• RQ5 所提设计在提升效率的同时，能否保持对数据包丢失和污染攻击的抵抗能力？

主要发现

• 通过双级并行处理和UMAC集成，所提设计显著降低了Wong-Lam协议的执行时间。
• 通过用UMAC替代传统哈希函数，通信开销得以降低，因UMAC所需带宽更少。
• 该设计在NTRU和椭圆曲线密码学（ECC）签名方案上均实现了显著的性能提升。
• 在优化实现下，协议仍能有效抵御数据包丢失和污染攻击。
• 执行时间的减少使协议适用于实时组通信应用。
• 使用UMAC在最小化计算和传输成本的同时，保持了强认证保证。