[论文解读] Decentralized Identifier-based Privacy-preserving Authenticated Key Exchange Protocol for Electric Vehicle Charging in Smart Grid

Rohini Poolat Parameswarath, Prosanta Gope+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2022

Advanced Authentication Protocols Security被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于去中心化标识符（DID）的、隐私保护的认证密钥交换协议，用于智能电网中的电动汽车（EV）充电，利用可验证凭证（VCs）和零知识证明（ZKPs）实现用户自主的身份控制与相互认证，同时不暴露真实身份。该协议确保了强安全属性，包括不可链接性、抵抗重放攻击和位置伪造攻击，以及安全的密钥恢复机制，同时保持较低的计算开销，适合实际部署。

ABSTRACT

The popularity of Electric Vehicles (EVs) has been rising across the globe in recent years. Smart grids will be the backbone for EV charging and enable efficient consumption of electricity by the EVs. With the demand for EVs, associated cyber threats are also increasing. Users expose their personal information while charging their EVs, leading to privacy threats. This paper proposes a user-empowered, privacy-aware authenticated key exchange protocol for EV charging in smart grid. The proposed protocol is based on the concept of Decentralized Identifier (DID) and Verifiable Credentials (VCs). The use of DIDs empowers users by helping them to have complete control over their identities. The charging station and the user verify that the other party is legitimate before proceeding with the charging services using VC. Key recovery is another issue we address in this paper. A method to recover lost keys is incorporated into the proposed protocol. We present formal security proof and informal analysis to show that protocol's robustness against several attacks. We also provide a detailed performance analysis to show that the proposed protocol is efficient.

研究动机与目标

• 为解决智能电网中电动汽车充电日益增长的隐私与安全威胁，特别是跟踪和身份暴露问题。
• 通过去中心化标识符（DIDs）赋予用户对其数字身份的完全控制权，消除对中心化权威机构的依赖。
• 利用可验证凭证（VCs）和零知识证明（ZKPs）确保在电动汽车充电过程中实现相互认证与隐私保护。
• 在私钥丢失的情况下提供安全且高效的密钥恢复机制。
• 在保持实际性能的同时，实现全面的安全属性，如不可链接性、抵抗重放攻击和位置伪造攻击等。

提出的方法

• 该协议使用去中心化标识符（DIDs）使用户能够自主管理身份，无需中心化权威机构的分配。
• 由可信方签发的可验证凭证（VCs）用于密码学绑定用户属性，并支持第三方对身份合法性的验证。
• 采用零知识证明（ZKPs）来证明持有有效VC，而无需透露任何底层身份或凭证细节。
• 通过三消息密钥交换协议实现相互认证，电动汽车（EV）和充电站（CS）均使用VCs和ZKPs验证彼此的凭证。
• 集成密钥恢复机制，使用户在私钥丢失时仍能恢复访问权限，从而增强对意外私钥丢失的容错能力。
• 使用ProVerif工具对安全性进行形式化证明，并通过标准硬件上的计算成本分析评估性能。

Figure 3: DID and Verifiable Credential.

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖中心化权威机构的情况下，使电动汽车用户能够自主控制其在智能电网充电系统中的数字身份？
• RQ2 基于DID和VC的协议在多大程度上能确保电动汽车充电交易中的用户匿名性和不可链接性？
• RQ3 基于ZKP的认证机制能否在实现相互认证的同时，防止充电站获取用户的敏感信息？
• RQ4 所提出的协议如何抵抗重放攻击、位置伪造攻击和伪装攻击等常见攻击？
• RQ5 所提出协议的计算开销是多少？与现有方案相比，在效率和可扩展性方面表现如何？

主要发现

• 通过使用ZKPs隐藏认证过程中的用户身份，该协议实现了强大的隐私保障，包括不可链接性和匿名性。
• 该协议在形式化证明中被证明能有效抵抗常见威胁，如重放攻击、伪装攻击和密钥泄露伪装攻击。
• 通过将位置数据绑定到可验证凭证，该协议有效抵抗了位置伪造攻击，这是许多现有方案中的关键漏洞。
• 性能评估表明，每次认证的总计算成本处于可接受范围内，尽管用户服务代理（USP）的开销略高（因需生成VC），但仍在计算资源允许的范围内。
• 该协议支持不可否认性，并包含安全的密钥恢复机制，显著增强了对私钥丢失的容错能力。
• 与现有方案相比，该协议独特地结合了通过DID实现的用户赋权与全面的安全与隐私特性，且计算成本合理。

Figure 4: System model.