Secret Key Agreement and Secure Omniscience of Tree-PIN Source with Linear Wiretapper

Praneeth Kumar V.
PhD student, ECE, IISc

Joint work with
Navin Kashyap (IISc), Chung Chan (CityU) and Qiaoqiao Zhou (CUHK)

EECS Research Students Symposium - 2022

Multi-terminal Source Model

\mathsf{F}^{(n)}
\mathsf{Z}^n_1
\mathsf{Z}^n_m
\mathsf{Z}^n_{\text{w}}
P_{\mathsf{Z}_1\ldots\mathsf{Z}_m\mathsf{Z}_{\text{w}}}
1
\ldots
m
\text{w}
\mathsf{E}^{(n)}_1
\mathsf{E}^{(n)}_m

Multi-terminal Source Model

\mathsf{F}^{(n)}
\mathsf{Z}^n_1
\mathsf{Z}^n_m
\mathsf{Z}^n_{\text{w}}
P_{\mathsf{Z}_1\ldots\mathsf{Z}_m\mathsf{Z}_{\text{w}}}
1
\ldots
m
\text{w}
\mathsf{E}^{(n)}_1
\mathsf{E}^{(n)}_m
  • Secret Key Agreement
\mathsf{K}^{(n)}\approx
\mathsf{K}^{(n)}\approx
\log |\mathcal{K}^{(n)}| - H(\mathsf{K}^{(n)} \mid \mathsf{F}^{(n)},\mathsf{Z}_{\text{w}}^n) \rightarrow 0

(Secrecy condition)

  • Wiretap secret key capacity,
C_{\text{W}}=\sup \left\lbrace \liminf_{n \to \infty} \frac{1}{n} \log |\mathcal{K}^{(n)}| \right\rbrace

Multi-terminal Source Model

\mathsf{F}^{(n)}
\mathsf{Z}^n_1
\mathsf{Z}^n_m
\mathsf{Z}^n_{\text{w}}
P_{\mathsf{Z}_1\ldots\mathsf{Z}_m\mathsf{Z}_{\text{w}}}
1
\ldots
m
\text{w}
\mathsf{E}^{(n)}_1
\mathsf{E}^{(n)}_m
  • Secure Omniscience
  • Secret Key Agreement
\mathsf{Z}_{V}^n\approx
I(\mathsf{Z}_V^n \wedge \mathsf{F}^{(n)} \mid \mathsf{Z}_{\text{w}}^n)
  • Wiretap secret key capacity,
C_{\text{W}}
\mathsf{Z}_{V} := (\mathsf{Z}_{1}, \ldots,\mathsf{Z}_{m})
\mathsf{Z}_{V}^n\approx

Multi-terminal Source Model

\mathsf{F}^{(n)}
\mathsf{Z}^n_1
\mathsf{Z}^n_m
\mathsf{Z}^n_{\text{w}}
P_{\mathsf{Z}_1\ldots\mathsf{Z}_m\mathsf{Z}_{\text{w}}}
1
\ldots
m
\text{w}
\mathsf{E}^{(n)}_1
\mathsf{E}^{(n)}_m
  • Secure Omniscience
  • Secret Key Agreement
\mathsf{Z}_{V}^n\approx
I(\mathsf{Z}_V^n \wedge \mathsf{F}^{(n)} \mid \mathsf{Z}_{\text{w}}^n)
  • Minimum leakage rate for omniscience,
\mathsf{Z}_{V} := (\mathsf{Z}_{1}, \ldots,\mathsf{Z}_{m})
R_{\text{L}}=\inf \biggl\lbrace \limsup_{n \to \infty} \frac{1}{n}
\biggr\rbrace
\mathsf{Z}_{V}^n\approx
  • Wiretap secret key capacity,
C_{\text{W}}

Multi-terminal Source Model

\mathsf{F}^{(n)}
\mathsf{Z}^n_1
\mathsf{Z}^n_m
\mathsf{Z}^n_{\text{w}}
P_{\mathsf{Z}_1\ldots\mathsf{Z}_m\mathsf{Z}_{\text{w}}}
1
\ldots
m
\text{w}
\mathsf{E}^{(n)}_1
\mathsf{E}^{(n)}_m
  • Secure Omniscience
  • Secret Key Agreement
  • Minimum leakage rate for omniscience,
R_{\text{L}}
  • Wiretap secret key capacity,
C_{\text{W}}
C_{\text{W}}
\geq H(\mathsf{Z}_V|\mathsf{Z}_{\text{w}})-
R_{\text{L}}
  • How are they related?
  • For what sources, 
R_{\text{L}}
= H(\mathsf{Z}_V|\mathsf{Z}_{\text{w}})-
C_{\text{W}}

(duality) holds?

 Omniscience protocol + Key extraction

Main Result

\mathsf{Z}_{\text{w}}= \mathsf{X} \begin{bmatrix}1 & 0 \\ 1 & 0 \\ 0 & 0 \\ 0 & 1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}= \begin{bmatrix}\mathsf{X}_{a1}+\mathsf{X}_{a2} \!\!\! & \mathsf{X}_{c1} +\mathsf{X}_{d1} \end{bmatrix}
\mathsf{X}= \begin{bmatrix}\mathsf{X}_{a1}\!\!\! & \mathsf{X}_{a2} \!\!\! & \mathsf{X}_{b1} \!\!\! & \mathsf{X}_{c1} \!\!\! & \mathsf{X}_{d1} \end{bmatrix} \\ \text{uniformly dist. over } (\mathbb{F}_q)^5 %\text{unif} (\mathbb{F}_q)^5
\mathsf{Z}_3 = [\mathsf{X}_{b1} \quad \mathsf{X}_{c1}]
\mathsf{Z}_{V}
4
3
2
5
1
\mathsf{X}_{c1}
\mathsf{X}_{b1}
\mathsf{X}_{d1}
[\mathsf{X}_{a1} \quad \mathsf{X}_{a2}]
  • Duality holds for  Tree-PIN source with linear wiretapper
  • Secure omniscience achieves
C_{\text{W}}
  • Derivation of the single letter expressions for 

and

C_{\text{W}}
R_{\text{L}}

Main Result

\mathsf{Z}_{\text{w}}= \mathsf{X} \boldsymbol{W}
\mathsf{Z}_{V}
  • Key features of the proof:
  • Reduction to a class called irreducible sources
  • Linear (non-interactive) 
  • Perfectly aligns with      ,
\mathsf{Z}_{\text{w}}^n
H(\mathsf{Z}_{\text{w}}^{n} \mid \mathsf{F}^{(n)})=0
  • Duality holds for  Tree-PIN source with linear wiretapper
  • Secure omniscience achieves
C_{\text{W}}
  • Existence of an optimal secure omniscience scheme     
\mathsf{F}^{(n)}
  • Derivation of the single letter expressions for 

and

C_{\text{W}}
R_{\text{L}}

Thank you

Made with Slides.com