[论文解读] Hiding Data in OFDM Symbols of IEEE 802.11 Networks

Krzysztof Szczypiorski, Wojciech Mazurczyk|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2010

Wireless Networks and Protocols参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文提出 WiPad，一种利用 IEEE 802.11a/g 网络中 OFDM 符号的填充字段隐藏数据的隐蔽通信方法，通过利用物理层未使用的资源实现。作者使用马尔可夫模型证明，对于数据帧的隐蔽通信带宽最高可达 1.1 Mbit/s，对于 ACK 帧可达 0.44 Mbit/s——这是目前报道的网络隐蔽通信中最高的速率之一。

ABSTRACT

This paper presents a new steganographic method called WiPad (Wireless Padding). It is based on the insertion of hidden data into the padding of frames at the physical layer of WLANs (Wireless Local Area Networks). A performance analysis based on a Markov model, previously introduced and validated by the authors in [10], is provided for the method in relation to the IEEE 802.11 a/g standards. Its results prove that maximum steganographic bandwidth for WiPad is as high as 1.1 Mbit/s for data frames and 0.44 Mbit/s for acknowledgment (ACK) frames. To the authors' best knowledge this is the most capacious of all the known steganographic network channels.

研究动机与目标

• 在现有 IEEE 802.11 无线网络中开发高容量的隐蔽通信通道。
• 利用 OFDM 符号中未使用的填充字段嵌入隐藏数据，而无需改变协议的可见结构。
• 在实际物理层约束条件下，评估可实现的最大隐蔽通信带宽。
• 使用先前建立的 IEEE 802.11a/g 马尔可夫模型验证该方法的性能。
• 证明 WiPad 在数据容量方面优于现有的网络隐蔽通信通道。

提出的方法

• 该方法将隐藏数据嵌入 OFDM 符号的填充部分，该部分在 IEEE 802.11a/g 帧中通常未被使用。
• 它利用 OFDM 的物理层结构，特别是循环前缀和导频子载波，以在不修改有效载荷或头部字段的情况下插入数据。
• 隐蔽通信的有效载荷被编码并映射到 OFDM 符号的填充区域，同时保持信号的频谱特性和调制特性不变。
• 应用马尔可夫模型以分析帧传输的统计行为，并估算可实现的最大数据速率。
• 该方法确保隐蔽通信信号在标准检测技术下与正常网络流量无法区分。
• 该方法通过基于 IEEE 802.11a/g 标准的仿真和理论分析得到验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 IEEE 802.11a/g 网络的 OFDM 符号填充区域中，可实现的最大隐蔽通信带宽是多少？
• RQ2 如何在不改变帧结构或引入可检测异常的情况下，在物理层嵌入隐藏数据？
• RQ3 马尔可夫模型能否准确预测在真实 WLAN 条件下物理层隐蔽通信通道的性能？
• RQ4 Wipad 的隐蔽通信容量与现有隐蔽通信网络通道相比如何？
• RQ5 使用该方法在 ACK 帧中数据嵌入速率的理论上限是多少？

主要发现

• 使用 WiPad 的数据帧最大隐蔽通信带宽达到 1.1 Mbit/s，是目前已知所有隐蔽通信网络通道中报告的最高值。
• 对于确认（ACK）帧，最大隐蔽通信带宽为 0.44 Mbit/s，证明即使在短时、仅控制字段的帧中也具有可行性。
• 该方法成功地将数据隐藏在 OFDM 符号的填充区域中，而未修改帧的头部、有效载荷或调制结构。
• 使用经过验证的马尔可夫模型进行的性能分析，证实了该隐蔽通信通道的理论可行性与高容量。
• Wipad 在保持低可检测性的同时实现了高数据速率，因为嵌入发生在未使用的物理层字段中。
• 结果表明，与现有隐蔽通信技术相比，Wipad 在 IEEE 802.11 网络中的带宽效率更高。