論文の概要: LSEG: A Lightweight and Secure Key Exchange Protocol for Smart Grid Communication

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.07548v1
• Date: Wed, 12 Nov 2025 01:02:48 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-11-12 20:17:03.379079
• Title: LSEG: A Lightweight and Secure Key Exchange Protocol for Smart Grid Communication
• Title（参考訳）: LSEG:スマートグリッド通信のための軽量でセキュアなキー交換プロトコル
• Authors: Amna Zafar, Muhammad Asfand Hafeez, Arslan Munir,
• Abstract要約: 本稿では,スマートグリッド環境のための軽量な認証とセキュアな鍵交換プロトコルを提案する。 ASCON128aは軽量でNIST規格の認証暗号化アルゴリズムである。 その結果、LSEGはセキュリティ、効率、コンプライアンスのバランスを効果的に保ち、スマートグリッドインフラにおけるセキュアな通信のためのスケーラブルなソリューションであることがわかった。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.9449650062296824
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The increasing deployment of the Internet of Things (IoT) edge devices in modern smart grid environments requires secure and efficient communication protocols specifically designed for resource-constrained environments. However, most existing authentication schemes either impose excessive computational overhead or lack robustness against advanced cyber threats, making them unsuitable for resource-limited smart grid deployments. To address these limitations, this paper proposes a lightweight authentication and secure key exchange protocol for smart grid (LSEG) environments. The proposed LSEG protocol utilizes a unified elliptic curve key pair, enabled by birational mapping between Ed25519 and Curve25519, for signing and key exchange. Initial keys are derived using the hash based message authentication code (HMAC) based key derivation function (HKDF), while ephemeral key pairs, generated through the Elliptic Curve Diffie Hellman Ephemeral (ECDHE), are used in each session to ensure forward secrecy. Session communication is protected using ASCON128a, a lightweight, NIST-standardized, authenticated encryption algorithm. Formal security proofs in the random oracle model validate the security properties of LSEG, including mutual authentication, forward secrecy, and resistance to impersonation, replay, and man in the middle attacks. Experimental results on both Raspberry Pi and Intel Core i9-based systems demonstrate practical efficiency, achieving execution times under 5.5 milliseconds on embedded hardware and a communication cost of only 1024 bits for the protocol's message exchanges. The results demonstrate that LSEG effectively balances security, efficiency, and compliance, making it a scalable solution for secure communication in smart grid infrastructures.
• Abstract（参考訳）: 現代のスマートグリッド環境におけるIoT(Internet of Things)エッジデバイスの普及には、リソース制約のある環境に特化して設計されたセキュアで効率的な通信プロトコルが必要である。 しかし、既存の認証方式の多くは、過剰な計算オーバーヘッドを課すか、高度なサイバー脅威に対する堅牢性を欠いているため、リソース制限のスマートグリッドデプロイメントには適さない。 これらの制約に対処するために,スマートグリッド(LSEG)環境のための軽量な認証とセキュアな鍵交換プロトコルを提案する。 LSEGプロトコルは,Ed25519とCurve25519の双方向マッピングにより,署名と鍵交換が可能な統一楕円曲線鍵ペアを利用する。 初期鍵は、ハッシュベースのメッセージ認証コード(HMAC)ベースの鍵導出関数(HKDF)を用いて導出される一方、楕円曲線Diffie Hellman Ephemeral(ECDHE)を介して生成される短命な鍵対は、各セッションで前方機密を確保するために使用される。 ASCON128aは軽量でNIST規格の認証暗号化アルゴリズムである。 ランダムオラクルモデルの形式的セキュリティ証明は、相互認証、前方機密、不正行為、リプレイ、中間攻撃に対する抵抗を含むLSEGのセキュリティ特性を検証する。 Raspberry PiとIntel Core i9ベースのシステムの実験結果は、組み込みハードウェア上で5.5ミリ秒以下の実行時間を実現し、プロトコルのメッセージ交換の通信コストはわずか1024ビットである。 その結果、LSEGはセキュリティ、効率、コンプライアンスのバランスを効果的に保ち、スマートグリッドインフラにおけるセキュアな通信のためのスケーラブルなソリューションであることを実証した。

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