[論文レビュー] PBF: A New Privacy-Aware Billing Framework for Online Electric Vehicles with Bidirectional Auditability

Rasheed Hussain, Donghyun Kim+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、オンライン電気自動車（OLEV）向けにプライバシーを配慮した請求フレームワークPBFを提案する。このフレームワークは、軽量な相互認証とゲーム理論的請求検証を用いて、安全で公平かつ双方向の監査が可能な無線電力送電を実現する。フレームワークは、車両が実際に消費した電力をのみ請求し、偽名を用いてドライバーのプライバシーを保護するとともに、車両の速度に応じた直接的およびハッシュチェーンベースの認証をサポートする。

ABSTRACT

Recently an online electric vehicle (OLEV) concept has been introduced, where vehicles are propelled through the wirelessly transmitted electrical power from the infrastructure installed under the road while moving. The absence of secure-and-fair billing is one main hurdle to widely adopt this promising technology. This paper introduces a secure and privacy-aware fair billing framework for OLEV on the move through the charging plates installed under the road. We first propose two extreme lightweight mutual authentication mechanisms, a direct authentication and a hash chain-based authentication between vehicles and the charging plates that can be used for different vehicular speeds on the road. Second we propose a secure and privacy-aware wireless power transfer on move for the vehicles with bidirectional auditability guarantee by leveraging game-theoretic approach. Each charging plate transfers a fixed amount of energy to the vehicle and bills the vehicle in a privacy-aware way accordingly. Our protocol guarantees secure, privacy-aware, and fair billing mechanism for the OLEVs while receiving electric power from the road. Moreover our proposed framework can play a vital role in eliminating the security and privacy challenges in the deployment of power transfer technology to the OLEVs.

研究の動機と目的

• オンライン電気自動車（OLEV）システムにおける安全で公平な請求メカニズムの欠如が、広範な導入を妨げているのを是正すること。
• OLEVの請求システムにおいて、ドライバーの個人情報を漏洩させるリスクや、高コストな追跡手法（車両用カメラやRFIDなど）を排除すること。
• セグメントごとの電力使用量に応じた請求を可能にする、軽量でスケーラブルかつプライバシー保護型の請求プロトコルを設計すること。
• 車両と充電パッドの間で相互の監査が可能であることを保証し、両者が請求の正確性を検証できること。
• ゲーム理論的モデルを用いて、請求プロセスの公平性と信頼性を検証すること。

提案手法

• 車両の速度に応じて最適化された、直接的相互認証（DMA）および偽名ベースのハッシュチェーン認証（PHA）の2つの軽量相互認証プロトコルを提案する。
• 偽名とハッシュチェーンを用いてドライバーの個人情報を保護しつつ、法的必要性がある場合にのみ追跡性を確保する。
• 各充電パッド（CP）が固定電力を供給し、車両に対して実際の使用量に基づいて請求するセグメント化された道路モデルを採用する。
• セッション鍵の管理とPHAにおける車両の認証を担当する中央集約型サービスプロバイダ（CSPA）を導入し、車両側の計算負荷を軽減する。
• ゲーム理論を用いて車両と充電パッドの間の相互作用をモデル化し、インcentive-compatible（インcentive適合）かつ双方向監査が可能な仕組みを実現する。
• 暗号ハッシュ関数にSHA-512を採用し、固定サイズのメッセージフォーマット（例：PHAでは135バイト）を定義することで、効率性と標準化を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際に消費された電力をのみ請求する、安全でプライバシー保護型の請求メカニズムをどのように設計できるか？
• RQ2 高速走行を想定したOLEV運用を支える、プライバシー保護と相互監査性を両立する軽量認証プロトコルは何か？
• RQ3 双方向監査性を形式的に保証するには、どのようにすれば車両と充電パッドの両方が請求の公平性を検証できるか？
• RQ4 OLEVシステムにおいて、認証遅延、電力送電効率、セグメント長の間にはどのようなトレードオフが存在するか？
• RQ5 ゲーム理論をどのように応用し、OLEVシステムにおける請求プロセスの公平性と信頼性をモデル化・検証できるか？

主な発見

• 提案されたPBFフレームワークは、各道路セグメントごとの実際の電力消費量にのみ請求を行うことで、安全でプライバシー配慮型かつ公平な請求を実現する。
• 直接的相互認証（DMA）プロトコルは、計算オーバーヘッドが低く、OBUとCP間の直接通信が可能なため、PHAよりも性能に優れる。
• PHAは、偽名のハッシュチェーンをOBUに保存する必要があるため、ストレージコストが高くなるが、CSPAに計算負荷をオフロードすることで、車両側の計算負荷を低減できる。
• 通信オーバーヘッドは最小限に抑えられ、PHAでは135バイト、DMAではそれ未満であり、認証遅延は1マイクロ秒未満に抑えられ、高速走行車両に対応可能である。
• ゲーム理論的モデルにより、車両と充電パッドの両方が誠実に行動するインcentiveがあることが確認され、双方向監査性と公平性が保証された。
• フレームワークは実用的なセグメント長5メートルをサポートし、認証遅延、電力供給、監査性のバランスを取れるが、最適な長さは車両の速度やシステムパrameterに依存する。