[论文解读] 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 6

一句话总结

该论文提出PSAA协议，一种基于随机化环学习错误（RLWE）的可证明安全、抗量子计算的太空信息网络（SIN）身份认证协议。通过将卫星到地面的传输减少至两轮，实现了21.767毫秒的认证延迟，并支持相互认证与会话密钥协商。该协议具备抗量子攻击能力，并支持动态卫星拓扑下的切换。

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.

研究动机与目标

• 解决太空信息网络（SIN）中缺乏可证明安全、抗量子计算的身份认证协议的问题，该协议需支持相互认证与密钥协商。
• 克服基于离散对数问题（DLP）和椭圆曲线离散对数问题（ECDLP）的现有协议在后量子时代易受Shor算法攻击的局限性。
• 在保持动态卫星拓扑下强安全保证的前提下，降低SIN中的认证延迟与通信开销。
• 设计一种切换验证机制，以支持移动SIN环境中用户在卫星间的无缝切换。
• 确保对重放攻击、伪装攻击、密钥重用攻击以及中间人攻击等常见攻击具备抵抗力，尤其在开放的卫星链路中。

提出的方法

• 利用随机化RLWE生成不可预测的随机样本，防止密钥重用，增强对密码分析侧信道攻击和重放攻击的防护能力。
• 引入两轮消息认证阶段，由卫星作为可信中继，使用户与TCS仅通过两次往返传输即可完成会话密钥协商。
• 采用具有环结构的格密码学（RLWE）以确保抗量子计算能力，替代传统的DLP和ECDLP等经典难题。
• 设计切换阶段协议，使下一跳卫星与用户可在卫星切换过程中相互认证并重新协商会话密钥。
• 通过随机预言模型（ROM）和AVISPA工具进行形式化安全证明，同时提供对语义安全性和已知攻击抵抗能力的非形式化分析。
• 通过预协商和并行消息传输优化计算开销，以降低总认证延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于随机化RLWE的格密码学认证协议是否能在SIN中实现可证明安全性和抗量子计算能力？
• RQ2 如何最小化卫星到地面的传输次数，以降低SIN中的认证延迟？
• RQ3 在动态SIN拓扑中，支持卫星切换期间安全相互认证与会话密钥协商，需要哪些机制？
• RQ4 所提出的协议在多大程度上能抵抗已知攻击，如重放、伪装和密钥重用攻击？
• RQ5 与现有协议相比，该协议在延迟、通信开销和计算成本方面的性能表现如何？

主要发现

• PSAA协议将认证延迟降低至21.767毫秒，尽管通信开销较高，但仍比[10]和[25]分别快约20毫秒和40毫秒。
• 协议总计算开销为1.767毫秒，通过优化RLWE操作，用户、卫星和TCS的计算负载分配均衡。
• 通信开销总计38,488比特，源于RLWE中较大的格元素，但其带来的安全增强与抗量子能力使其具有合理性。
• 协议支持卫星间的安全切换，可在信号切换过程中实现相互认证与会话密钥重新协商。
• 基于ROM和AVISPA的正式安全分析证实，该协议具备语义安全性，并能有效抵抗伪装、重放与密钥重用攻击。
• 与[8]和[9]相比，PSAA的延迟略高，但提供了显著更强的抗量子安全性，更适合未来SIN的部署。