Evaluation of a secure authentication protocol for V2X networks

Abstract

Esta tese investiga o desenvolvimento e a validação de um protocolo de autenticação seguro e de baixa latência para redes Veículo-para-Tudo (V2X) em Sistemas de Transporte Inteligente (ITS). Modelos tradicionais de segurança baseados em Infraestrutura de Chave Pública (PKI) frequentemente introduzem latência significativa e sobrecarga de comunicação. Para contornar essas limitações, o protocolo proposto utiliza tokens de autenticação leves, derivados de segredos previamente estabelecidos, para permitir autenticação rápida e transferência segura de dados entre gateways, possibilitando que veículos se desloquem continuamente sem comprometer o nível de segurança. O protocolo é validado por meio de uma simulação veicular no OMNet++ e SUMO, integrados via o framework Artery, utilizando o cenário Frankfurt SUMO Traffic (FraST) com múltiplos gateways. O protocolo é avaliado em dois cenários — com alcances de comunicação de 250 m e 500 m — representando, respectivamente, as tecnologias IEEE 802.11p e 5G. Os resultados mostram que o protocolo atinge baixa latência, com uma média de 3,16 ms no cenário de 500 m e 2,93 ms no cenário de 250 m, fornecendo uma performance de uma a duas ordens de magnitude melhor do que soluções tradicionais. No entanto, observa-se uma alta taxa de falha de handover (HOF) no cenário de 500 m (36,48\%) devido à baixa conectividade em certos trechos da via, enquanto o cenário de 250 m apresenta uma taxa de HOF menor, de 18,46\%. A sobrecarga de rede permanece dentro de limites aceitáveis, com um máximo maior de 250 bytes/s por veículo no cenário de 500 m devido a uma taxa de HOF maior em relação ao cenário de 250 m com 128 bytes/s por veículo. De modo geral, a abordagem proposta equilibra requisitos de segurança com a necessidade de interações em rede de alta performance e baixa latência, contribuindo para os objetivos mais amplos de aumentar a segurança, a eficiência e a confiabilidade em infraestruturas ITS emergentes.

This thesis investigates the development and validation of a secure, low-latency authentication protocol for Vehicle-to-Everything (V2X) networks in Intelligent Transport Systems (ITS). Traditional Public Key Infrastructure (PKI)-based security models often introduce significant latency and communication overhead. To address these limitations, the protocol leverages lightweight authentication tokens derived from pre-established secrets to enable fast authentication and secure data transfer between gateways, allowing vehicles to roam seamlessly across the road while maintaining consistent security levels. The protocol is validated through a vehicular simulation in OMNeT++ and SUMO, integrated via the Artery framework, using the Frankfurt SUMO Traffic (FraST) scenario with multiple gateways. It is evaluated under two scenarios—communication ranges of 250m and 500m, representing IEEE 802.11p and 5G technologies, respectively. Simulation results demonstrate that the protocol achieves low latency, with an average of 3.16 ms in the 500-meter scenario and 2.93 ms in the 250-meter scenario, with a performance of one to two orders of magnitude higher than traditional solutions. However, it exhibits a higher Handover Failure (HOF) rate due to poor connectivity in certain road sections, with a 36.48\% HOF rate in the 500-meter scenario and 18.46\% in the 250-meter scenario. Network overhead remains acceptable, with a higher maximum load of 250 bytes/s per vehicle for the 500-meter scenario due to a higher HOF rate when compared to the 250-meter scenario with a load of 128 bytes/s per vehicle. These metrics corroborate the protocol’s ability to meet the stringent requirements of V2X networks, offering a lightweight, secure authentication scheme that balances security with low-latency, high-performance network interactions, thus supporting the broader goals of improving safety, efficiency, and reliability in emerging ITS infrastructures.