[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于身份的轻量级认证与计费协议，用于电动汽车按需动态无线充电，采用基于身份的密码学和伪名机制，确保相互认证、隐私保护与高效性。与现有最先进协议相比，该方案降低了通信开销和计算时间，实现了无需预购的快速、安全且可验证的充电。

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.

研究动机与目标

• 解决电动汽车按需动态无线充电缺乏统一、高效且安全协议的问题。
• 克服现有方案依赖持续可信实体交互的局限，降低延迟并提升安全性。
• 实现在无需预购能源情况下的快速相互认证与计费，支持实时充电决策。
• 通过基于身份的伪名机制保护用户隐私，同时维持公钥安全保证。
• 设计一种计算高效、适用于高速电动汽车及资源受限基础设施的协议。

提出的方法

• 采用基于身份的公钥加密方案（Boneh-Franklin），消除对公钥证书的需求，降低密钥管理开销。
• 基于用户身份和系统参数生成动态伪名，确保充电会话间长期隐私与不可链接性。
• 集成哈希链机制，实现在充电过程中电动汽车与路边单元（RSUs）之间轻量、快速的验证。
• 采用三方架构，包括充电服务提供商权威机构（CSPA）、路边单元（RSUs）和车载单元（OBU），以分散信任并降低通信延迟。
• 以迪菲-赫尔曼问题作为底层困难性假设，确保对冒充和重放攻击的抗性。
• 最小化消息交互：EV与CSPA之间仅交换四条消息，随后EV与RSU之间仅交换两条轻量级消息，显著降低整体通信成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在无需预购能源的前提下，统一动态无线充电系统中的相互认证与计费机制？
• RQ2 能否利用基于身份的密码学降低计算与通信开销，同时保持强安全性和隐私保护？
• RQ3 在高速电动汽车移动性和资源受限基础设施条件下，协议如何维持低延迟与高效率？
• RQ4 与现有方案相比，该协议在安全性、隐私保护与计算成本之间的性能权衡如何？
• RQ5 协议能否在不暴露用户身份的前提下支持可验证且可争议解决的计费？

主要发现

• 所提协议将总认证与充电时间减少至约 7.382 + T_CP 毫秒，显著快于现有竞争方案。
• 通信成本最低化，仅交换 16 条消息，包括固定大小（如 104–170 字节）的轻量级哈希消息，降低带宽使用。
• 通过基于身份的加密实现公钥安全，无需证书管理，降低密钥交换复杂度。
• 计算时间减少，避免重复计算哈希链；方案利用高效的基于身份的操作与伪名生成机制。
• 通过动态伪名实现隐私保护的认证，防止跨多个充电会话对电动汽车的长期追踪。
• 协议支持公平且可验证的计费，具备防篡改的OBU日志记录，可利用密码学安全的会话记录实现客户与提供商之间的争议解决。