Physical layer message integrity protection and authentication by countering signal-cancellation has been shown as a promising alternative to traditional pure cryptographic message authentication protocols, due to the non-necessity of neither pre-shared secrets nor secure channels. However, the security of such an approach remained an open problem due to the lack of systematic security modeling and quantitative analysis. In this paper, we first establish a novel signal cancellation attack framework to study the optimal signal-cancellation attacker's behavior and utility using game-theory, which precisely captures the attacker's knowledge using its correlated channel estimates in various channel environments as well as the online nature of the attack. Based on theoretical results, we propose a practical channel randomization approach to defend against signal cancellation attack, which exploits state diversity and swift reconfigurability of reconfigurable antenna to increase randomness and meanwhile reduce correlation of channel state information. We show that by proactively mimicking the attacker and placing restrictions on the attacker's location, we can bound the attacker's knowledge of channel state information, thereby achieve a guaranteed level of message integrity protection in practice. Besides, we conduct extensive experiments and simulations to show the security and performance of the proposed approach. We believe our novel threat modeling and quantitative security analysis methodology can benefit a wide range of physical layer security problems.

中文翻译：

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无线信道上的消息完整性保护：通过信道随机化对抗信号消除

由于不需要预先共享的秘密和安全通道，因此通过对抗信号取消来保护物理层消息完整性和身份验证已被证明是传统纯加密消息身份验证协议的有前途的替代方案。然而，由于缺乏系统的安全建模和定量分析，这种方法的安全性仍然是一个悬而未决的问题。在本文中，我们首先建立了一个新的信号消除攻击框架，使用博弈论研究最佳信号消除攻击者的行为和效用，该框架利用其在各种信道环境中的相关信道估计以及在线性质来精确捕获攻击者的知识的攻击。根据理论结果，我们提出了一种实用的信道随机化方法来防御信号抵消攻击，该方法利用可重构天线的状态分集和快速可重构性来增加随机性，同时降低信道状态信息的相关性。我们表明，通过主动模仿攻击者并对攻击者的位置进行限制，我们可以限制攻击者对信道状态信息的了解，从而在实践中实现有保证的消息完整性保护水平。此外，我们进行了广泛的实验和模拟，以展示所提出方法的安全性和性能。我们相信我们新颖的威胁建模和定量安全分析方法可以使广泛的物理层安全问题受益。它利用可重构天线的状态分集和快速可重构性来增加随机性，同时减少信道状态信息的相关性。我们表明，通过主动模仿攻击者并对攻击者的位置进行限制，我们可以限制攻击者对信道状态信息的了解，从而在实践中实现有保证的消息完整性保护水平。此外，我们进行了广泛的实验和模拟，以展示所提出方法的安全性和性能。我们相信我们新颖的威胁建模和定量安全分析方法可以使广泛的物理层安全问题受益。它利用可重构天线的状态分集和快速可重构性来增加随机性，同时减少信道状态信息的相关性。我们表明，通过主动模仿攻击者并对攻击者的位置进行限制，我们可以限制攻击者对信道状态信息的了解，从而在实践中实现有保证的消息完整性保护水平。此外，我们进行了广泛的实验和模拟，以展示所提出方法的安全性和性能。我们相信我们新颖的威胁建模和定量安全分析方法可以使广泛的物理层安全问题受益。我们表明，通过主动模仿攻击者并对攻击者的位置进行限制，我们可以限制攻击者对信道状态信息的了解，从而在实践中实现有保证的消息完整性保护水平。此外，我们进行了广泛的实验和模拟，以展示所提出方法的安全性和性能。我们相信我们新颖的威胁建模和定量安全分析方法可以使广泛的物理层安全问题受益。我们表明，通过主动模仿攻击者并对攻击者的位置进行限制，我们可以限制攻击者对信道状态信息的了解，从而在实践中实现有保证的消息完整性保护水平。此外，我们进行了广泛的实验和模拟，以展示所提出方法的安全性和性能。我们相信我们新颖的威胁建模和定量安全分析方法可以使广泛的物理层安全问题受益。我们进行了大量的实验和模拟，以展示所提出方法的安全性和性能。我们相信我们新颖的威胁建模和定量安全分析方法可以使广泛的物理层安全问题受益。我们进行了大量的实验和模拟，以展示所提出方法的安全性和性能。我们相信我们新颖的威胁建模和定量安全分析方法可以使广泛的物理层安全问题受益。