[論文レビュー] Identity-Based Authentication for On-Demand Charging of Electric Vehicles

Surudhi Asokraj, Tommaso Bianchi+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2022

RFID technology advancements被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ID暗号方式と偽名を用いて相互認証、プライバシー保護、効率性を確保する、オンデマンドで動的に無線給電を行う電気自動車（EV）の本人確認型、軽量な認証および課金プロトコルを提案する。本方式は、最新のプロトコルと比較して通信オーバーヘッドと計算時間を削減し、事前購入の必要がない高速で安全かつ検証可能な給電を実現する。

ABSTRACT

Dynamic wireless power transfer provides means for charging Electric Vehicles (EVs) while driving, avoiding stopping for charging and hence fostering their widespread adoption. Researchers devoted much effort over the last decade to provide a reliable infrastructure for potential users to improve comfort and time management. Due to the severe security and performance system requirements, the different scheme proposed in last years lack of a unified protocol involving the modern architecture model with merged authentication and billing processes. Furthermore, they require the continuous interaction of the trusted entity during the process, increasing the delay for the communication and reducing security due to the large number of message exchanges. In this paper, we propose a secure, computationally lightweight, unified protocol for fast authentication and billing that provides on-demand dynamic charging to comprehensively deal with all the computational and security constraints. The protocol employs an ID-based public encryption scheme to manage mutual authentication and pseudonyms to preserve the user's identity across multiple charging processes. Compared to state-of-the-art authentication protocols, our proposal overcomes the problem of overwhelming interactions and provides public scheme security against the use of simple operations in wide open communications without impacting on performance.

研究の動機と目的

• オンデマンドで動的に無線給電を行う電気自動車のための統合的で効率的かつ安全なプロトコルが不足しているという問題に対処する。
• 継続的な信頼できるエンティティとのやり取りを必要とする既存の手法の制限を克服し、遅延を増加させず、セキュリティを低下させない。
• エネルギーの事前購入が不要な高速な相互認証と課金を可能にし、リアルタイムの給電意思決定を支援する。
• 本人確認型の偽名を用いることでユーザーのプライバシーを保護しながらも、公開鍵セキュリティの保証を維持する。
• 高速なEVおよびリソース制限のあるインfra構造に適した計算効率の高いプロトコルを設計する。

提案手法

• 公開鍵証明書の必要性を排除し、鍵管理のオーバーヘッドを削減するため、本人確認型公開鍵暗号方式（Boneh-Franklin）を採用する。
• ユーザーのIDとシステムパラメータに基づいて動的に偽名を生成することで、複数の給電セッションにわたる長期的なプライバシー保護と関連付け不可能性を確保する。
• EVとレーンサイドユニット（RSU）間の給電中に、軽量で高速な検証を実現するため、ハッシュチェーン機構を統合する。
• 信頼の分散化と通信遅延の低減を目的として、給電サービスプロバイダー・オーソリティ（CSPA）、レーンサイドユニット（RSU）、オンボードユニット（OBU）を含む三者アーキテクチャを採用する。
• なりすましやリプレイ攻撃に対するセキュリティを保証するため、Diffie-Hellman問題を基盤とする計算困難性仮定を適用する。
• メッセージ交換を最小限に抑える：EVとCSPA間で4メッセージのみを交換し、その後EVとRSU間で2つの軽量メッセージを交換することで、全体の通信コストを削減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギーの事前購入が不要な動的無線給電システムにおいて、相互認証と課金をどのように統合できるか？
• RQ2 本人確認型暗号を用いることで、計算および通信のオーバーヘッドを削減しながらも、強固なセキュリティとプライバシーを維持できるか？
• RQ3 高速なEVの移動性と制限のあるインfra構造下でも、プロトコルがどのように低遅延かつ高効率を維持できるか？
• RQ4 既存の手法と比較して、セキュリティ、プライバシー、計算コストのトレードオフはどのようなものか？
• RQ5 ユーザーの個人情報を暴露せずに、検証可能で紛争解決が可能な課金を実現できるか？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、合計の認証および給電時間を約7.382 + T_CPミリ秒にまで短縮し、競合する手法よりも顕著に高速である。
• 通信コストは16メッセージの交換に限定され、固定サイズ（例：104–170バイト）の軽量ハッシュベースのメッセージを含むため、帯域幅の使用量が削減される。
• 本人確認型暗号を用いることで公開鍵セキュリティを達成し、証明書管理の必要性を排除し、鍵交換の複雑さを低減する。
• 繰り返しのハッシュチェーン再計算を回避することで計算時間を削減し、効率的なIDベースの操作と偽名導出を活用する。
• 動的な偽名を用いたプライバシー保護型認証を実現し、複数の給電セッションにわたるEVの長期的追跡を防止する。
• 改ざん防止のOBUログを備えた公平で検証可能な課金を可能にし、暗号的に安全なセッション記録を用いて顧客とプロバイダー間の紛争解決が可能になる。