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Proposal and evaluation of authentication protocols for Smart Grid networks

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2018.

Main Author: Roman, Luis Fernando Arias
Other Authors: Gondim, Paulo Roberto de Lira
Format: Dissertação
Language: Inglês
Published: 2021
Subjects:
Redes elétricas inteligentes
Infraestrutura de medição avançada
Chaves de sessão
Protocolos de autenticação
Confidencialidade
Online Access: https://repositorio.unb.br/handle/10482/40232
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spelling ir-10482-402322021-03-16T10:40:34Z Proposal and evaluation of authentication protocols for Smart Grid networks Roman, Luis Fernando Arias Gondim, Paulo Roberto de Lira Redes elétricas inteligentes Infraestrutura de medição avançada Chaves de sessão Protocolos de autenticação Confidencialidade Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2018. Uma rede Smart Grid (ou rede elétrica inteligente) representa a evolução das redes elétricas tradicionais, tornada possível graças à integração das tecnologias da informação e das comunicações com a infraestrutura elétrica. Esta integração propicia o surgimento de novos serviços, tornando a rede elétrica mais eficiente, gerando também novos desafios a serem atendidos, dentre eles a segurança do sistema. A rede SG deve garantir a confiabilidade, a integridade e a privacidade dos dados armazenados ou em transito pelo sistema, o que leva à necessidade de autenticação e controle de acesso, obrigando a todo usuário ou dispositivo a se autenticar e a realizar somente operações autorizadas. A autenticação de usuários e dispositivos é um processo muito importante para a rede SG, e os protocolos usados para esse fim devem ser capazes de proteção contra possiveis ataques (por exemplo, Man-in-the-Middle - MITM, repetição, Denegação de Serviço - DoS). Por outro lado, a autorização é tratada em conjunto com a autenticação e relacionada com as politicas de controle de acesso do sistema. Uma parte essencial para criar os protocolos de autenticação seguros envolve os esquemas de ciframento. O uso de um ou a combinação de vários esquemas afeta diretamente o desempenho do protocolo. Cada dia novos esquemas são propostos, e seu emprego nos protocolos de autenticação melhora o desempenho do sistema em comparação aos protocolos já propostos no mesmo cenário. Neste trabalho são propostos 3 (três) protocolos de autenticação seguros e de custo adequado para os cenários descritos a seguir: - Autenticação dos empregados das empresas de fornecimento de energia que procuram acesso ao sistema de forma remota; - Autenticação de Smart Meters numa Infraestrutura de medição avançada (AMI, do inglês Advanced Metering Infrastructure) baseada em nuvem computacional; e - Autenticação de veículos elétricos em uma rede V2G (do inglês, Vehicle-to-Grid). Cada um dos cenários tem caraterísticas particulares que são refletidas no projeto dos protocolos propostos. Além disso, todos os protocolos propostos neste trabalho garantem a autenticação mutua entre todas as entidades e a proteção da privacidade, confidencialidade e integridade dos dados do sistema. Uma comparação dos custos de comunicação e computação é apresentada entre os protocolos propostos neste trabalho e protocolos desenvolvidos por outros autores para cada um dos cenários. Os resultados das comparações mostram que os protocolos propostos neste trabalho têm, na maioria dos casos, o melhor desempenho computacional e de comunicações, sendo assim uma ótima escolha para a sua implementação nas redes SG. A validação formal dos protocolos propostos por meio da ferramenta AVISPA é realizada, permitindo verificar o atendimento a requisitos de segurança. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). A Smart Grid network (or inteligent electrical network) represents the evolution of traditional electrical networks, made possible due to the integration of information and communication technologies with the electrical power grid. This integration generates new services and improves the efficiency of the electrical power grid, while new challenges appear and must be solved, including the security of the system. The SG network must assure reliability, integrity and privacy of the data stored or in trnsit in the system, leading to the need for authentication and access control, thus all users and devices must authenticate and accomplish only authorized operations. The authentication of users and devices is a very important process for the SG network, and the protocols used for this task must be able to protect against possible attacks (for example, Man- in-the-Middle - MITM, repetição, Denegação de Serviço – DoS). On the other hand, authorization is treated jointly with authentication and related to policies of access control to the system. An essential part of creating secure authentication protocols involves encryption schemes. The use of one or the combination of several schemes directly affects protocol performance. Each day new schemas are proposed, and their utilization in the authentication protocols improves the performance of the system compared to the protocols already proposed in the same scenario. In this work 3 (three) secure and cost-effective authentication protocols are proposed, for the following scenarios: - Authentication of employees of energy suply enterprises, looking for remote or local access to the system; - Authentication of Smart Meters in an Advanced Metering Infrastructure based on cloud computing; and - Authentication of electrical vehicles in a V2G (“Vehicle-to-Grid”) network. Each scenario has specific characteristics, that are reflected on the design of the proposed protocols. Moreover, such protocols assure mutual authentication among entities as well as the protection of privacy, confidentiality and integrity of system data. A comparison considering communication and computing costs is presented, involving proposed protocols and other previously published protocols, for each scenario. The results show that the proposed protocols have, in most cases, the best performance, thus constituting good choices for future implementation in SG networks. The formal validation of the proposed protocols by the use of AVISPA tool is realized, allowing to verify the compliance with security requirements. 2021-03-16T10:40:34Z 2021-03-16T10:40:34Z 2021-03-13 2018-02-23 Dissertação ROMAN, Luis Fernando Arias. Proposal and evaluation of authentication protocols for Smart Grid networks. 2018. 131 f., il. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica)—Universidade de Brasília, Brasília, 2018. https://repositorio.unb.br/handle/10482/40232 Inglês Acesso Aberto A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data. application/pdf
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Roman, Luis Fernando Arias
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