25890

طراحي پروتكلهاي امنيتي سبك وزن در شبكه هوشمند با استفاده از توابع غيرقابل همسان سازي فيزيكي بهبوديافته

دكتري

مهندسي برق

1395

1400/4/27

دكتر محمد رضا موسوي ميركلايي

مهندسي برق

شبكه هوشمند با استفاده از فناوري اطلاعات و ارتباطات به عنوان آينده سيستم‌هاي قدرت در دهه اخير مطرح شده است. اين شبكه با ميسر نمودن ارتباطات دوطرفه در كنار جريان داشتن توان الكتريكي، موجب بهبود قابليت اطمينان، انعطاف‌پذيري، كنترل از راه دور و كاهش توليد گازهاي گل‌خانه‌اي مي‌شود. هرچند كه استفاده از فناوري اطلاعات و ارتباطات موجب بروز چالش‌هايي جدي براي عملي شدن مفهوم شبكه هوشمند مي‌گردد كه در ميان همه چالش‌هاي موجود، موضوع امنيت مهم‌ترين مساله‌اي است كه بايد به آن پرداخته شود. لذا، استفاده از اصول و الگوريتم‌هاي رمزنگاري در طراحي پروتكل‌هاي ارتباطي در شبكه هوشمند اجتناب‌ناپذير خواهد بود. از طرفي ديگر، اكثر دستگاه‌هاي شبكه داراي محدوديت‌هايي در توان مصرفي، ظرفيت پردازشي، محاسباتي، مخابراتي و ميزان حافظه ذخيره‌سازي مي‌باشند كه مهندسين و متخصصين حوزه امنيت را به سمت طراحي پروتكل‌هاي سبك‌وزن سوق مي‌دهد. اين در حالي است كه اكثر روش‌ها و الگوريتم‌هاي رمزنگاري معمول، داراي سربار ذخيره‌سازي، محاسباتي و مخابراتي نسبتا بالايي هستند. توابع غيرقابل همسان‌سازي فيزيكي (PUFs)، توابعي هستند كه مي‌توانند با استفاده از ساختار فيزيكي و ذاتي تراشه‌هاي الكترونيكي، توليد كليد رمزنگاري نموده و يا در احراز اصالت دستگاه‌هاي مربوطه مورد استفاده قرار گيرند. اين توابع به دليل خاصيت تصادفي بودن بالا و غيرقابل همسان‌سازي بودن، به‌صورت يك اثر انگشت براي سخت‌افزار عمل نموده و مي‌توانند نقش مهمي را در طراحي روش‌هاي رمزنگاري سبك‌وزن ايفا نمايند. هدف اين رساله آن است كه در ابتدا با طراحي و پياده‌سازي PUFهاي مناسب، روش‌هايي نوين و بهينه براي استخراج كليد رمزنگاري امن مطابق با استانداردهايي نظير قابليت اطمينان ويكنواخت بودن پاسخ ارائه گردد. همچنين در ادامه نيز بتوان مبتني بر كليد به دست آمده از PUF، پروتكل‌هايي امن طراحي نمود كه مناسب نيازمندي‌ها و محدوديت‌هاي موجود در شبكه هوشمند بوده و در آن مورد استفاده قرار گيرند. بدين منظور در اين رساله، ابتدا با طراحي بهينه يك PUF، ميزان قابليت اطمينان به 100% افزايش پيدا مي‌كند و سپس پروتكلي سبك‌وزن كه امنيت آن از نظر رياضي نيز اثبات‌پذير است ارائه مي‌گردد. تحليل‌هاي امنيتي و ارزيابي‌هاي عملكردي نشان مي‌دهند كه پروتكل پيشنهادي مبتني بر PUF ارائه‌شده در اين رساله در برابر همه حملات ممكن امن بوده و در فضاي ذخيره‌سازي مورد نياز، سربار مخابراتي و هزينه محاسباتي، نسبت به روش‌هاي موجود بهبود قابل توجهي را به وجود مي‌آورد. به طوري كه ضمن فراهم نمودن ويژگي‌هاي امنيتي بيشتر، سربار محاسباتي را حداقل 7/2 برابر بهبود مي‌دهد. واژه‌هاي كليدي: توابع غيرقابل همسان‌سازي فيزيكي، شبكه هوشمند، پروتكل احراز اصالت سبك‌وزن.

1400/10/27

Design of Lightweight Authentication Protocols in Smart Grid Based on Developed Physical Unclonable Functions

7/18/2022 12:00:00 AM

Smart grid has emerged as the future of power systems by using of information and communication technology (ICT) in the last decade. This grid improves reliability, flexibility, remote control and reduces greenhouse gas emissions by enabling two-way communication along with electrical power flow. However, the use of ICT poses serious challenges to the implementation of the concept of smart grid. Among all the existing challenges, security is the most important issue that must be addressed. Therefore, the use of cryptographic primitives and algorithms in the design of communication protocols in the smart grid will be inevitable. On the other hand, most network devices have limitations in power consumption, processing, computing, telecommunications, and storage capacity, which lead security engineers and researchers to design their protocols more lightweight. However, most common cryptographic-based methods and algorithms have relatively high computational, communication, and storage overheads. Physical Unclonable Functions (PUFs) are functions that can be generated using the physical and inherent structure of electronic chips to generate cryptographic keys and be used to authenticate related devices. Due to their high randomness and unclonable properties, these functions act as a hardware fingerprint and can play a main role in the design of lightweight cryptographic methods. The aim of this dissertation is to first design and implement appropriate PUFs to introduce novel and optimal methods for extracting secure keys in accordance with standards such as reliability and uniformity of responses. The next aim is to design secure protocols based on the obtained PUF-based key that are appropriate to the requirements and limitations of the smart grid. For this purpose, we design and evaluate an optimal PUF structure which increases the reliability of Arbiter PUF to 100% (without using any error correction codes), and then a lightweight protocol whose mathematical security is also provable is proposed. The security analysis and performance evaluations show that the proposed PUF-based protocol is secure against all possible cyber and physical attacks and creates a significant improvement in the required storage space, communication overhead, and computational cost over existing methods. Thus, while providing far better security and functionality features, it improves the computational cost by at least 2.7 times.

توابع غيرقابل همسان سازي فيزيكي، , شبكه هوشمند، , پروتكل هاي احراز اصالت سبك وزن

Physical Unclonable Functions , , Lightweight Authentication Protocol , Lightweight Authentication Protocol