Security for IoT-based Energy Internet / Yousra Angague

Public ISBD Titre : Security for IoT-based Energy Internet Type de document : texte imprimé Auteurs : Yousra Angague, Auteur ; Hadil Sahraoui ; Mansouri,Hossem, Directeur de thèse Editeur : Setif:UFA Année de publication : 2024 Importance : 1 vol (57 f .) Format : 29 cm Langues : Anglais (eng) Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : Internet of Things (IoT) Energy Internet (EI) Post-Quantum Cryptography Index. décimale : 004 - Informatique Résumé : The Energy Internet (EI) integrates diverse energy sources into an efficient and flexible grid but faces significant security challenges due to its interconnected nature. Advances in quantum computing heighten these concerns by threatening traditional cryptographic defenses, making them vulnerable to quantum attacks. This thesis explores the use of postquantum cryptographic algorithms to secure the EI. Our study presents a secure consensus approach tailored for IoT-based EI systems, integrating post-quantum cryptography and blockchain technology. We merge two cuttingedge protocols: a mutual authentication framework and a post-quantum consensus mechanism. Introducing two secure consensus algorithms based on the Dilithium and Falcon postquantum cryptographic schemes, we aim to overcome existing limitations while enhancing security, scalability, and efficiency. Simulation results validate our approaches, showcasing marked improvements in transaction throughput and latency reduction. These findings establish a robust framework for secure and efficient energy data management in a postquantum landscape. Note de contenu : Sommaire List of Figures II General Introduction 1 1 Energy Internet (EI) 2 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 EI Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Internet of Things based EI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 EI Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4.1 Data Analysis Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4.2 Application Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4.3 Communication and Control Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4.4 Physical Component Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5 EI Key Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.1 Smart Meter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.2 Renewable and Distributed Energy Resources (DERs) . . . . . . . . . . 7 1.5.3 Advanced Information and Communication Technology (ICT) . . . . . 7 1.5.4 Energy Router (ER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.6 EI Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.6.1 P2P Energy Trading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.6.2 Electric Vehicles (EVs) charging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.7 EI Security Requirements and Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.7.1 Network Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.2 Scalability and Interoperability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.3 Cyber Physical Security Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.4 Real-time Responsiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.5 Congestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2 EI Attacks and Security Solutions 13 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 EI Security Attacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.1 Network Attacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.2 Soft Attacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.3 Hard Attacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 EI Security Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.1 Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Lightweight Cryptography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.3 Post-Quantum Cryptography (PQC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4 RelatedWorks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 A Secure Consensus Approach for IoT-based EI using PQC 28 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.3 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3.1 Review of Benrebbouh et al. [1] protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3.2 Review of kim et al. [2] protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.4 Our Proposed Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.4.1 SCAEI-Dilithium: A Secure Consensus Approach for IoT-based EI using Dilithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.4.2 SCAEI-Falcon: A Secure Consensus Approach for IoT-based EI using Falcon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.5 Informal Security Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4 Simulation and Results 39 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2 Environment and Evaluation Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2.1 Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2.2 Evaluation of Post-Quantum Cryptosystems . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2.3 Evaluation Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2.4 Simulation Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3 Simulation Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.1 TPS by Number of Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.2 LD by Number of Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.3 LC by Number of nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.4 TPS by Block size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.5 LD by Block size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.3.6 LC by Block size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Côte titre : MAI/0832 Security for IoT-based Energy Internet [texte imprimé] / Yousra Angague, Auteur ; Hadil Sahraoui ; Mansouri,Hossem, Directeur de thèse . - [S.l.] : Setif:UFA, 2024 . - 1 vol (57 f .) ; 29 cm. Langues : Anglais (eng) Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : Internet of Things (IoT) Energy Internet (EI) Post-Quantum Cryptography Index. décimale : 004 - Informatique Résumé : The Energy Internet (EI) integrates diverse energy sources into an efficient and flexible grid but faces significant security challenges due to its interconnected nature. Advances in quantum computing heighten these concerns by threatening traditional cryptographic defenses, making them vulnerable to quantum attacks. This thesis explores the use of postquantum cryptographic algorithms to secure the EI. Our study presents a secure consensus approach tailored for IoT-based EI systems, integrating post-quantum cryptography and blockchain technology. We merge two cuttingedge protocols: a mutual authentication framework and a post-quantum consensus mechanism. Introducing two secure consensus algorithms based on the Dilithium and Falcon postquantum cryptographic schemes, we aim to overcome existing limitations while enhancing security, scalability, and efficiency. Simulation results validate our approaches, showcasing marked improvements in transaction throughput and latency reduction. These findings establish a robust framework for secure and efficient energy data management in a postquantum landscape. Note de contenu : Sommaire List of Figures II General Introduction 1 1 Energy Internet (EI) 2 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 EI Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Internet of Things based EI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 EI Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4.1 Data Analysis Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4.2 Application Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4.3 Communication and Control Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4.4 Physical Component Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5 EI Key Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.1 Smart Meter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.2 Renewable and Distributed Energy Resources (DERs) . . . . . . . . . . 7 1.5.3 Advanced Information and Communication Technology (ICT) . . . . . 7 1.5.4 Energy Router (ER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.6 EI Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.6.1 P2P Energy Trading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.6.2 Electric Vehicles (EVs) charging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.7 EI Security Requirements and Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.7.1 Network Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.2 Scalability and Interoperability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.3 Cyber Physical Security Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.4 Real-time Responsiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.5 Congestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2 EI Attacks and Security Solutions 13 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 EI Security Attacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.1 Network Attacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.2 Soft Attacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.3 Hard Attacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 EI Security Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.1 Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Lightweight Cryptography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.3 Post-Quantum Cryptography (PQC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4 RelatedWorks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 A Secure Consensus Approach for IoT-based EI using PQC 28 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.3 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3.1 Review of Benrebbouh et al. [1] protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3.2 Review of kim et al. [2] protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.4 Our Proposed Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.4.1 SCAEI-Dilithium: A Secure Consensus Approach for IoT-based EI using Dilithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.4.2 SCAEI-Falcon: A Secure Consensus Approach for IoT-based EI using Falcon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.5 Informal Security Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4 Simulation and Results 39 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2 Environment and Evaluation Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2.1 Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2.2 Evaluation of Post-Quantum Cryptosystems . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2.3 Evaluation Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2.4 Simulation Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3 Simulation Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.1 TPS by Number of Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.2 LD by Number of Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.3 LC by Number of nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.4 TPS by Block size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.5 LD by Block size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.3.6 LC by Block size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Côte titre : MAI/0832

Exemplaires (1)

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MAI/0832	MAI/0832	Mémoire	Bibliothéque des sciences	Anglais	Disponible Disponible

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