[论文解读] Reliable, Deniable, and Hidable Communication over Multipath Networks

Swanand Kadhe, Sidharth Jaggi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2014

Wireless Communication Security Techniques参考文献 10被引用 6

一句话总结

本文提出了一种用于多路径网络中可靠、不可否认且隐蔽传输的通信协议，其中爱丽丝向鲍勃发送隐蔽消息，同时避免被被动监听者威利检测到。通过在多条并行链路上使用随机分箱和随机编码，该方案同时实现了不可否认性（威利无法检测到传输）和隐蔽性（威利无法获得关于消息的任何信息），并通过匹配的内界和外界界定了此类通信的容量。

ABSTRACT

We consider the scenario wherein Alice wants to (potentially) communicate to the intended receiver Bob over a network consisting of multiple parallel links in the presence of a passive eavesdropper Willie, who observes an unknown subset of links. A primary goal of our communication protocol is to make the communication "deniable", {\it i.e.}, Willie should not be able to {\it reliably} estimate whether or not Alice is transmitting any {\it covert} information to Bob. Moreover, if Alice is indeed actively communicating, her covert messages should be information-theoretically "hidable" in the sense that Willie's observations should not {\it leak any information} about Alice's (potential) message to Bob -- our notion of hidability is slightly stronger than the notion of information-theoretic strong secrecy well-studied in the literature, and may be of independent interest. It can be shown that deniability does not imply either hidability or (weak or strong) information-theoretic secrecy; nor does any form of information-theoretic secrecy imply deniability. We present matching inner and outer bounds on the capacity for deniable and hidable communication over {\it multipath networks}.

研究动机与目标

• 设计一种通信协议，确保在存在被动监听者威利的情况下，爱丽丝能向鲍勃可靠地传递信息。
• 实现不可否认性，使得威利无法可靠判断爱丽丝是否在传输任何信息。
• 确保隐蔽性，即使威利检测到传输，也无法获得关于爱丽丝隐蔽消息的任何信息。
• 形式化并表征在多路径网络中实现可靠、不可否认且隐蔽通信的容量极限。
• 证明不可否认性和隐蔽性是独立属性，彼此不互为前提。

提出的方法

• 形式化一个具有多条并行链路的多路径网络模型，其中威利观察链路的随机子集。
• 引入基于假设检验的不可否认性度量，确保威利无法区分无辜通信与活跃通信。
• 使用随机分箱生成码书，并采用一对一多的随机映射进行隐蔽消息的编码。
• 利用强典型性和基于类型的方法来界定错误概率，确保可靠性。
• 应用信息论工具，包括变差距离和熵界，分析不可否认性和隐蔽性。
• 通过分析典型序列和威利部分观测下的分箱行为，推导出容量的匹配内界和外界界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在被动监听者的情况下，多路径网络中可靠、不可否认且隐蔽通信的根本容量极限是什么？
• RQ2 不可否认性和隐蔽性能否共存于通信协议中，若能，其条件是什么？
• RQ3 不可否认通信的容量与隐蔽通信的容量相比如何，二者是否等价？
• RQ4 能否设计一种单一协议同时实现不可否认性和隐蔽性，何种编码策略可实现此目标？
• RQ5 不可否认性与信息论保密之间是否存在分离，隐蔽性与强保密性有何不同？

主要发现

• 本文建立了多路径网络中可靠、不可否认且隐蔽通信容量的匹配内界和外界界。
• 可靠-不可否认容量已被表征，并证明可通过随机分箱和随机编码实现。
• 可靠-不可否认-隐蔽容量也已表征，且相同的随机编码方案可实现最优性能。
• 证明了隐蔽性严格强于强信息论保密，因为其要求威利观测与消息之间的互信息为零。
• 分析证明了不可否认性和隐蔽性是独立的：二者互不蕴含，且可通过合理协议设计同时实现。
• 当码长增加时，威利正确检测到传输的概率趋于零，前提是传输速率低于推导出的容量极限。