Proposal of authentication and authorization protocols for electric vehicles charging stations

Abstract

O carregamento sem fio para veículos elétricos (“Electrical Vehicles” - EV) enquanto o veículo está em movimento ganhou atenção especial como um novo serviço. Este serviço é suportado por tecnologias de transferência de energia sem fio (“Wireless Power Transfer” - WPT), que promovem o carregamento durante a condução (“Charging while Drive” - CWD) por meio de indução magnética de bobinas instaladas no solo. No entanto, o serviço também trouxe novos desafios, incluindo a segurança do sistema, que devem ser resolvidos. O sistema de carga CWD-WPT deve garantir a privacidade, o anonimato, a integridade e a disponibilidade dos dados armazenados ou em trânsito pelo sistema, sendo necessária a implementação de um controle de acesso por meio da autenticação do usuário para garantir a segurança e privacidade dos dados. O processo de autenticação do usuário é fundamental para o sistema de carga CWD-WPT, e os protocolos utilizados para esta tarefa devem garantir o acesso de usuários válidos ao sistema e resistir a ataques de segurança. Esta tese de doutorado aborda o projeto de protocolos de autenticação e autorização de uma estação de carregamento CWD-WDP baseada em nuvem, que garante a segurança da informação de forma mais eficiente, na maioria dos casos, em termos de custos de comunicação, computação e energia, em comparação a outros protocolos publicados. Esta tese apresenta 4 (quatro) protocolos para autenticação e controle de acesso de EVs em uma estação de carregamento CWD-WPT integrada em uma infraestrutura VANET (“Vehicular Ad Hoc Network”) baseada em nuvem. O 1º, 2º e 4º protocolos foram projetados com base em uma estação de carregamento com controle centralizado, enquanto o 3º protocolo projetado com base em uma estação de carregamento com controle descentralizado. O 1º protocolo foi construído principalmente com o uso de criptografia baseada em emparelhamento bilinear e cadeia de “hash”. O 2º protocolo é uma variante do primeiro, cujo principal diferencial é a adoção de um novo esquema criptográfico baseado em mapas caóticos e árvore binária para controle de acesso no sistema. Seu desempenho em relação a métricas como custos computacionais, de comunicação e de energia é melhor do que outros esquemas e garante a autenticação mútua entre os EVs e todas as entidades do sistema. Por outro lado, o 3º protocolo foi projetado em uma arquitetura de carregamento CWD-WPT descentralizada, e os esquemas criptográficos utilizados são mapas caóticos e cadeia de “hash”. Foi empregado “blockchain” para a criação e gerenciamento de grupos e autenticação e controle de acesso do EV na estação de carregamento CWD-WPT. De acordo com os resultados, o protocolo baseado em “blockchain” obteve melhor desempenho computacional, energia e recursos de segurança em comparação com outros protocolos. A arquitetura do sistema considerada para o desenho do 4º protocolo possui um esquema hierárquico segundo o qual o sistema de confiança, o blockchain e o sistema de cobrança CWD-WPT são gerenciados na nuvem tradicional, enquanto a computação em névoa gerencia as RSUs (“Road Side Units”) das estações de carregamento. O protocolo usa confiança computacional para validar a forma de autenticação no sistema. Se a confiança do usuário estiver acima de certo nível, o processo de autenticação no sistema torna-se mais leve e rápido, sem descuidar da segurança das comunicações. A utilização de mapas caóticos se mostrou vantajosa em termos de desempenho de execução e tem promovido uma rápida criação de chaves de sessão e assinaturas digitais com baixo custo computacional. Por outro lado, o blockchain fornece às redes VANET transparência em seu funcionamento, resistência a ataques e uma validação rápida e eficiente das credenciais do usuário no processo de autenticação para autorizar ou negar seu acesso ao sistema. Também garante uma alta disponibilidade do serviço devido ao seu design descentralizado. A segurança dos protocolos propostos foi verificada analiticamente, sendo garantidas propriedades como autenticação mútua, acordo de chaves, confidencialidade, integridade, privacidade, sigilo direto perfeito e sigilo perfeito reverso; além disso, a análise destaca a resistência a ataques ao sistema, como injeção, repetição (“replay”) de mensagens, chave conhecida, negação de serviço (Denial of Service" - DoS, modelo OSI de 2-3 camadas), Homem no meio (“Man in the Middle” – MitM), mascaramento, personificação, desvinculabilidade (“unlinkability”), gastos duplos, resistência à adivinhação de senhas, vazamento de números aleatórios e informações privilegiadas. Finalmente, uma verificação formal de segurança foi realizada usando a ferramenta AVISPA. Veículos elétricos