Advantage distillation strategies for underwater acoustic channels

Security in the context communications over wireless media is a challenging topic due to the broadcast nature of wireless links. This is even more true for secret key agreement protocols, where confidentiality is a key requirement. Traditional cryptography relies on public keys, enabling secure communications at the expense of a computationally demanding infrastructure, not always available, for instance to power limited devices like underwater acoustic sensors and Internet of Things devices. Physical layer security tackles this issue, for instance with secret key agreement techniques generating symmetric keys exploiting the underlying shared physical channel. However, physical channel characteristics, such as fading, do not provide the certainty of a correct generation of symmetric keys without exchange of information. To this end, efficiency-driven distillation and reconciliation protocols are used. This thesis investigates novel techniques for advantage distillation, exploiting the exchange of information to improve key generation by quantization. Coupled with this idea, different quantization methods are presented, considering different eavesdropper adversarial behaviours.

La sicurezza nel contesto delle comunicazioni wireless è una sfida affrontata da molti studi a causa della prerogativa che contraddistingue questo tipo di mezzi trasmissivi: la loro natura broadcast. In particolare, per algoritmi di generazione di chiavi di sicurezza, per i quali la segretezza è requisito essenziale. Al giorno d’oggi la crittografia tradizionale si basa su algoritmi a chiave pubblica, i quali permettono di ottenere comunicazioni sicure tramite complesse architetture, richiedenti capacità computazionale. Quest’ultima tuttavia non è sempre disponibile, come nel caso di dispositivi con quantità limitata di potenza disponibile, come sensori acustici sottomarini o dispositivi appartenenti all’Internet delle cose. La sicurezza a livello fisico pone soluzioni per questo problema, per esempio proponendo algoritmi di generazione di chiavi di sicurezza sfruttando le caratteristiche del livello fisico sottostante condiviso dalle parti. Questo tipo di tecniche, tuttavia, non forniscono una certezza assoluta in termini di precisione delle chiavi generate senza uno scambio di informazione tra le parti, a causa delle prerogative intrinseche del canale, come ad esempio il fading. Per questo motivo, efficienti algoritmi di distillazione vantaggiosa e di riconciliazione sono oggetto di studio. Questa tesi propone nuove tecniche di distillazione vantaggiosa, sfruttando lo scambio di informazione per migliorare il processo di generazione delle chiavi. In parallelo, ottimizzazioni della quantizzazione sono presentate, considerando diversi possibili approcci dell’attaccante, il quale obiettivo è ottenere la chiave segreta.