gr-PHYSEC: Pembangkitan Kunci Berbasis Kanal Waktu Nyata untuk Komunikasi Nirkabel Aman Lapisan Fisik

Modul OOT GNU Radio yang memanfaatkan ekstraksi fitur kanal jaringan saraf, rekonsiliasi Reed-Solomon, dan hashing SHA-512 untuk pembangkitan kunci lapisan fisik

Jose Angel Sanchez Viloria; George Sklivanitis; Dimitris Pados· 2026· DOI 10.48550/arXiv.2609.16375

Masalah inti

Mengamankan komunikasi nirkabel dari penyadapan sangat krusial, terutama di lingkungan yang dinamis dan terdesentralisasi. Pembangkitan kunci tradisional bergantung pada rahasia yang dibagikan sebelumnya atau kompleksitas komputasi, yang mungkin tidak praktis atau rentan dalam situasi seperti itu. gr-PHYSEC memperkenalkan modul GNU Radio out-of-tree (OOT) baru untuk pembangkitan kunci lapisan fisik secara waktu nyata. Berbeda dari pendekatan tradisional, modul ini menurunkan kunci simetris dari keacakan bawaan kanal nirkabel. Sistem ini menyematkan jaringan saraf terlatih di dalam GNU Radio untuk mengekstraksi fitur kanal antara pihak tepercaya (Alice dan Bob) selama pertukaran probe. Fitur-fitur ini dikuantisasi menjadi kunci biner, direkonsiliasi melalui pengkodean Reed-Solomon, dan diamankan lebih lanjut dengan hashing SHA-512. Kunci yang dihasilkan kemudian langsung digunakan untuk mengenkripsi data. Karya ini menunjukkan bagaimana GNU Radio dapat mendukung solusi keamanan berbasis AI waktu nyata, mendorong batas komunikasi aman yang didefinisikan perangkat lunak.

Inovasi

Eksperimen dunia nyata dilakukan di testbed robotika terhubung FAU CAAI menggunakan software-defined radio ADALM Pluto dan platform NVIDIA Jetson Orin yang dipasang pada platform robot darat. Kinerja gr-PHYSEC dievaluasi dalam hal key disagreement rate (KDR) dan keacakan. - **Key disagreement rate**: Sistem mencapai KDR rendah, menunjukkan bahwa Alice dan Bob menghasilkan kunci identik dengan probabilitas tinggi setelah rekonsiliasi. Nilai KDR yang tepat tidak disediakan dalam abstrak, tetapi hasilnya menunjukkan ketidaksepakatan yang rendah. - **Keacakan**: Kunci yang dihasilkan lulus rangkaian uji NIST untuk pembangkit bilangan acak dan pseudorandom untuk aplikasi kriptografi, mengonfirmasi keacakan yang kuat. - **Operasi waktu nyata**: Integrasi dengan GNU Radio dan Jetson Orin memungkinkan pembangkitan kunci dan enkripsi secara waktu nyata selama komunikasi robotik. Eksperimen ini memvalidasi kelayakan pembangkitan kunci lapisan fisik di lingkungan dinamis dengan robot bergerak. Penggunaan jaringan saraf untuk ekstraksi fitur terbukti efektif dalam menangkap keacakan kanal sekaligus memitigasi derau dan interferensi.

Mengamankan komunikasi nirkabel dari penyadapan sangat krusial, terutama di lingkungan yang dinamis dan terdesentralisasi. Pembangkitan kunci tradisional bergantung pada rahasia yang dibagikan sebelumnya atau kompleksitas komputasi, yang mungkin tidak praktis atau rentan dalam situasi seperti itu. gr-PHYSEC memperkenalkan modul GNU Radio out-of-tree (OOT) baru untuk pembangkitan kunci lapisan fisik secara waktu nyata. Berbeda dari pendekatan tradisional, modul ini menurunkan kunci simetris dari keacakan bawaan kanal nirkabel. Sistem ini menyematkan jaringan saraf terlatih di dalam GNU Radio untuk mengekstraksi fitur kanal antara pihak tepercaya (Alice dan Bob) selama pertukaran probe. Fitur-fitur ini dikuantisasi menjadi kunci biner, direkonsiliasi melalui pengkodean Reed-Solomon, dan diamankan lebih lanjut dengan hashing SHA-512. Kunci yang dihasilkan kemudian langsung digunakan untuk mengenkripsi data. Karya ini menunjukkan bagaimana GNU Radio dapat mendukung solusi keamanan berbasis AI waktu nyata, mendorong batas komunikasi aman yang didefinisikan perangkat lunak.

Modul gr-PHYSEC beroperasi secara waktu nyata dalam kerangka GNU Radio. Proses pembangkitan kunci terdiri dari beberapa tahap:

Mengapa penting

Modul gr-PHYSEC menunjukkan pendekatan praktis untuk keamanan lapisan fisik dengan memanfaatkan keacakan bawaan kanal nirkabel. Berbeda dari pertukaran kunci komputasional, yang bergantung pada kesulitan masalah matematika, metode ini mengeksploitasi karakteristik fisik kanal, menjadikannya aman secara teori informasi terhadap penyadap dengan pengetahuan kanal yang terbatas. Integrasi jaringan saraf di dalam GNU Radio memungkinkan operasi waktu nyata dan adaptabilitas terhadap kondisi kanal yang berubah. Penggunaan rekonsiliasi Reed-Solomon dan hashing SHA-512 memastikan bahwa kunci akhir identik antara Alice dan Bob serta memiliki keacakan yang kuat. Validasi rangkaian uji NIST memberikan keyakinan pada kualitas kriptografi kunci. Eksperimen pada robot darat menyoroti penerapan pendekatan ini di lingkungan terdesentralisasi dan dinamis seperti kawanan robot atau jaringan taktis. Namun, kinerja sistem bergantung pada keacakan kanal dan lokasi penyadap. Jika Eve dekat dengan Alice atau Bob, korelasi kanal mungkin tinggi, mengurangi keamanan. Pekerjaan selanjutnya dapat mengeksplorasi kuantisasi adaptif dan arsitektur jaringan saraf lanjutan untuk meningkatkan ketangguhan. Selain itu, overhead komputasi jaringan saraf dan hashing pada perangkat dengan sumber daya terbatas seperti Jetson Orin harus dioptimalkan lebih lanjut. Secara keseluruhan, gr-PHYSEC merupakan langkah signifikan menuju keamanan lapisan fisik berbasis AI pada platform software-defined radio. Kode sumber tersedia di https://github.com/C2A2-at-Florida-Atlantic-University/gr-PHYSEC, memfasilitasi penelitian dan pengembangan lebih lanjut.

Siapa yang sebaiknya membaca

Praktisi dan peneliti ilmu komputer

Membuka konten member…