The rise of quantum computing threatens traditional cryptographic algorithms that secure Transportation Cyber-Physical Systems (TCPS). Shor's algorithm poses a significant threat to RSA and ECC, while Grover's algorithm reduces the security of symmetric encryption schemes, such as AES. The objective of this paper is to underscore the urgency of transitioning to post-quantum cryptography (PQC) to mitigate these risks in TCPS by analyzing the vulnerabilities of traditional cryptographic schemes and the applicability of standardized PQC schemes in TCPS. We analyzed vulnerabilities in traditional cryptography against quantum attacks and reviewed the applicability of NIST-standardized PQC schemes, including CRYSTALS-Kyber, CRYSTALS-Dilithium, and SPHINCS+, in TCPS. We conducted a case study to analyze the vulnerabilities of a TCPS application from the Architecture Reference for Cooperative and Intelligent Transportation (ARC-IT) service package, i.e., Electronic Toll Collection, leveraging the Microsoft Threat Modeling tool. This case study highlights the cryptographic vulnerabilities of a TCPS application and presents how PQC can effectively counter these threats. Additionally, we evaluated CRYSTALS-Kyber's performance across wired and wireless TCPS data communication scenarios. While CRYSTALS-Kyber proves effective in securing TCPS applications over high-bandwidth, low-latency Ethernet networks, our analysis highlights challenges in meeting the stringent latency requirements of safety-critical wireless applications within TCPS. Future research should focus on developing lightweight PQC solutions and hybrid schemes that integrate traditional and PQC algorithms, to enhance compatibility, scalability, and real-time performance, ensuring robust protection against emerging quantum threats in TCPS.


翻译:量子计算的兴起威胁着保障交通信息物理系统(TCPS)安全的传统密码算法。Shor算法对RSA和ECC构成重大威胁,而Grover算法则降低了AES等对称加密方案的安全性。本文旨在通过分析传统密码方案的脆弱性以及标准化后量子密码(PQC)方案在TCPS中的适用性,强调向PQC转型以缓解TCPS中此类风险的紧迫性。我们分析了传统密码学面对量子攻击的脆弱性,并综述了NIST标准化PQC方案(包括CRYSTALS-Kyber、CRYSTALS-Dilithium和SPHINCS+)在TCPS中的适用性。我们通过案例研究,利用微软威胁建模工具分析了来自合作式智能交通架构参考(ARC-IT)服务包(即电子收费系统)的TCPS应用的脆弱性。该案例研究揭示了TCPS应用的密码学脆弱性,并展示了PQC如何有效应对这些威胁。此外,我们评估了CRYSTALS-Kyber在有线与无线TCPS数据通信场景中的性能。虽然CRYSTALS-Kyber被证明能有效保护高带宽、低延迟以太网环境中的TCPS应用,但我们的分析指出其在满足TCPS内安全关键型无线应用严格延迟要求方面仍面临挑战。未来研究应聚焦于开发轻量级PQC解决方案以及融合传统密码与PQC算法的混合方案,以提升兼容性、可扩展性和实时性能,从而确保TCPS在面对新兴量子威胁时获得强健防护。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
70+阅读 · 2022年6月30日
Anomalous Instance Detection in Deep Learning: A Survey
Deep Learning in Video Multi-Object Tracking: A Survey
Arxiv
58+阅读 · 2019年7月31日
VIP会员
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员