A quantum-resistant advanced metering infrastructure

• Autor(a) principal: Costa, Vinícius Lagrota Rodrigues da
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFJF
• Texto Completo: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/15895
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA; Infraestrutura avançada de medição; Medição inteligente; Criptografia pós-quântica; Segurança; Privacidade; Arranjo de porta programável em campo; Processador; Microcontrolador; Advanced metering infrastructure; Smart metering; Post-quantum cryptography; Security; Privacy; Field programmable gate array; Processor; Microcontroller

Esta tese de doutorado foca na discussão e implementação de uma Infraestrutura de Medição Avançada com Resistência Quântica (do inglês, Quantum-Resistant Advanced Metering Infrastructure - QR-AMI), que emprega esquemas criptográficos assimétricos e simétricos com resistência quântica para suportar ataques proveniente tanto de computadores quânticos, como clássicos. A solução proposta envolve a integração de um Módulo Criptográfico Dedicado com Resistência Quântica (do inglês, Quantum-Resistant Dedicated Cryptographic Modules - QR-DCMs) com Medidores Inteligentes (do inglês, Smart Meter - SM). Os QR-DCMs são projetados para embarcar esquemas criptográficos com resistência quântica adequados para aplicação em AMI. Nesse sentido, é investigado esquemas criptográficos assimétricos com resistência quântica baseado em fortes princípios criptográficos e abordagem com baixo uso de recursos para AMIs. Além disso, é analisado a implantação prática de um esquema com resistência quântica em QR-AMIs. Dois candidatos do processo de padronização da criptografia pós-quântica (do inglês, post-quantum cryptography - PQC) do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (do inglês, National Institute of Standards and Technology - NIST), FrodoKEM e CRYSTALS-Kyber, são avaliados devido à adesão a fortes princípios criptográficos e abordagem com baixo uso de recursos. A viabilidade de embarcar esses esquemas em QR-DCMs em um contexto de AMI é avaliado por meio de implementação em software em hardwares de baixo custo, como um microcontrolador e processador, e implementações conjunta hardware/software usando um sistema em um chip (do inglês, System-on-a-Chip - SoC) com Arranjo de Porta Programável em Campo (do inglês, Field-Programmable Gate Array - FPGA). Resultados experimentais mostram que o tempo de execução para os esquemas FrodoKEM e CRYSTALSKyber em dispositivos SoC FPGA é, ao menos, um terço mais rápido que implementações em software. Além disso, os tempos de execuções atingidos e o uso de recursos demonstram a viabilidade desses esquemas para aplicações em AMI. O esquema CRYSTALS-Kyber parece ser uma escolha superior em todos os cenários, exceto quando fortes primitivas criptográficas são necessárias, ao menos teoricamente. Devido à falta de SMs no mercado que suportem esquemas criptográficos assimétricos com resistência quântica, um QR-DCM embarcando esquemas com resistência quântica é implementado e avaliado. Quanto à escolha do hardware para os QR-DCMs, microcontroladores são preferíveis em situações que requerem poder de processamento reduzido, enquanto dispositivos SoC FPGA são mais adequados para quando é demandado maior poder de processamento. O uso de recurso e o resultado do tempo de execução demonstram a viabilidade da implementação de AMI baseada em QR-DCMs, ou seja, uma QR-AMI, usando microcontroladores e dispositivos SoC FPGA.