Sécuriser la recharge de véhicules électriques par chaînes de blocs

Les problèmes liés à la confidentialité

Les VE sont une application émergente de systèmes de transport intelligents au sein des villes intelligentes et sont reconnus comme solution prometteuse pour réduire les émissions de CO2 par rapport aux véhicules à essence traditionnels. Le nombre de VE augmente à un rythme tel que de nouveaux défis vont poindre quant à la gestion de recharge des VE. Pour assurer la viabilité de cette industrie, il faut gérer efficacement la recharge des VE de façon à gagner la confiance des conducteurs.

La tendance est à la tarification dynamique entre réseaux de recharge concurrents pour en faire une activité viable et chaque fournisseur de bornes de recharge propose des caractéristiques distinctes (puissance de recharge, temps de recharge total, temps de trajet, etc.) à des prix concurrentiels. Par conséquent, pouvoir choisir la meilleure borne en fonction des besoins particuliers de son VE offrirait la flexibilité à l’utilisateur, tout en assurant une intégration réseautique réussie des VE et des énergies renouvelables à venir.

Actuellement, les protocoles normalisés de l’industrie, qui permettent la communication entre VE et bornes de recharge d’un réseau, nécessitent l’intervention d’un tiers de confiance en mobilité ayant la mainmise sur les informations privées de l’utilisateur (identité, localisation, paramètres de recharge, etc.) La collecte de ces données privées et le suivi des trajets de VE soulèvent de graves problèmes de confidentialité et de sécurité. Les utilisateurs doivent pouvoir réserver une place de recharge en communiquant à distance directement avec la borne sans avoir à divulguer leurs informations privées, assurant ainsi la confidentialité de leur identité et de leurs informations.

Un protocole décentralisé de sélection de bornes comprenant mieux les exigences de service des VE et les caractéristiques des fournisseurs de bornes aurait une incidence directe sur la qualité de service globale du réseau de recharge et sur la confiance des utilisateurs. Aussi, un mécanisme basé sur la chaîne de blocs lors d’une réservation à distance de bornes garantirait la confidentialité et l’imputabilité tout en permettant l’audit des actions ou des mauvais comportements liés aux protocoles de recharge. Ici, nous analysons le problème théorique de la sélection des bornes, dont la création de mécanismes de réservation sûrs et fiables, proposons des solutions pratiques et évaluons ces solutions.

La chaîne de blocs : une solution polyvalente

La chaîne de blocs est un type de registre distribué, géré par un réseau P2P, qui ne nécessite pas le recours à un tiers de confiance. Les informations stockées dans le réseau sont immuables et inviolables. La chaîne de blocs prend en charge des contrats intelligents, un morceau de code qui s’exécute automatiquement de manière déterministe lorsque certaines conditions sont respectées. Les contrats intelligents sont également immuables, une fois déployés dans le réseau de la chaîne de blocs. Les entités du réseau de recharge (VE et bornes de recharge) sont directement connectées au réseau de la chaîne de blocs et communiquent par contrats intelligents pour effectuer des réservations, des authentifications et des paiements, comme le montre la figure 1.

L’objectif principal du réseau de la chaîne de blocs dans notre architecture est de renforcer la confiance et de permettre la communication entre VE et bornes de recharge sans tiers de confiance. En outre, la chaîne de blocs garantit la responsabilité, la traçabilité et la vérifiabilité des VE et des bornes participants. Enfin, elle permet aux utilisateurs de préserver leur identité lorsqu’ils communiquent avec une borne, assurant ainsi la sécurité de leurs informations privées.

Figure 1: Architecture de BlockEV

Le concept BlockEV

La figure 1 illustre le concept de système de recharge de VE proposé, qui se base sur la chaîne de blocs. Contrairement aux réseaux classiques de recharge de VE, BlockEV assure une communication directe entre VE et bornes, sans tiers de confiance. Les unités de bord de route transmettent les paramètres de service de bornes disponibles dans le voisinage des VE et ces informations servent localement aux utilisateurs pour sélectionner la meilleure borne en fonction de leurs besoins. En outre, le contrat intelligent du réseau de la chaîne de blocs permet de stocker les informations de réservation de places de recharge. Ces informations servent ensuite à l’authentification du VE et au paiement à la borne. Le protocole de recharge de VE de bout en bout est illustré à la figure 2.

Figure 2: Protocole de recharge de VE

Cette étude s’attaque à deux principaux défis de recherche, expliqués ci-dessous.

Défi de recherche 1 : le choix d’une borne de recharge

Comment sélectionner de façon efficace et décentralisée une borne de recharge sans divulguer d’informations privées à un tiers de confiance, à une borne de recharge ou à toute autre entité du réseau?

Solution : résoudre localement un problème d’optimisation

Les étapes 1 à 3 de la figure 2 expliquent comment la borne de recharge est sélectionnée sans fuite d’informations privées. Les unités de bord de route sont déployées dans la ville pour gérer les informations de contrôle entre bornes et VE et sont responsables de la transmission périodique des informations de recharge de la borne à tous les VE. Tenant compte de ces informations de recharge, nous formulons théoriquement le problème de sélection de la borne comme un problème d’optimisation de décision, ayant pour objectif de minimiser le coût global associé à la borne, tout en répondant aux exigences de service des VE (étape 3). Nous définissons le coût total comme une combinaison de quatre composantes : monétaire, temps de déplacement, temps de recharge et temps d’attente. La variable de décision définie dans le problème d’optimisation est une valeur binaire, un étant la borne sélectionnée et zéro étant Autre.

Contrairement aux réseaux de recharge classiques, où les utilisateurs doivent divulguer des informations privées avec un tiers de confiance centralisé pour réserver une place, le protocole que nous proposons permet aux utilisateurs de résoudre localement le problème d’optimisation en récupérant les paramètres de recharge des unités de bord de route, sans divulguer d’informations privées à d’autres entités du réseau.

Défi de recherche 2 : les mécanismes de réservation-paiement

Comment réserver une borne en privé sans divulguer d’informations à la borne ou à une entité centrale gérant des bornes, tout en obligeant les entités en interaction (VE et bornes) à respecter les mécanismes de réservation-paiement dans un environnement peu fiable ?

Solution : utiliser une adresse publique de chaîne de blocs

Les étapes 4 à 6 de la figure 2 expliquent les processus de réservation, d’authentification et de paiement de la borne par le biais d’un réseau de chaîne de blocs. Une fois la borne sélectionnée, le VE appellera la fonction de réservation du contrat intelligent en fournissant les paramètres de recharge saisis. La borne saisira en même temps les paramètres de recharge. Si les paramètres correspondent, la fonction sera exécutée et les informations de réservation seront consignées sur le réseau de chaîne de blocs. Une fois arrivé à la borne, le VE s’authentifiera par l’entremise du contrat intelligent. Enfin, après la recharge, le VE transférera le montant requis à la borne en appliquant la fonction paiement du contrat intelligent. Le contrat intelligent imposera également des pénalités si l’une des parties se comporte anormalement.

Dans ce protocole, le VE communiquera avec la borne par le biais d’une adresse publique de la chaîne de bloc, et cette adresse assurera l’anonymat de l’utilisateur. Au moment de la réservation, la borne ne connaîtra pas l’identité reliée au VE. Cette identité sera révélée seulement après avoir atteint la borne.

Évaluation de BlockEV

Nous avons réalisé une série de simulations pour analyser les performances du concept proposé. La figure 3 montre le temps d’exécution du calcul pour sélectionner une borne parmi un nombre variable de bornes disponibles. La figure montre que le temps de calcul est faible lorsque le VE doit sélectionner une borne dans un petit rayon de recherche, c’est-à-dire parmi un petit nombre de bornes. Inversement, un plus grand nombre de bornes nécessite plus de temps pour générer des solutions. La figure 4 montre l’effet du mécanisme de sélection de bornes proposé sur le prix global et compare ce dernier au prix offert par la borne la plus proche. BlockEV offre un prix inférieur à celui proposé par la borne la plus proche, car la solution au problème d’optimisation assure que la borne sélectionnée dans l’espace de solution soit celle qui offre le prix le plus bas.

Figure 3: Temps de calcul

Figure 4: Comparaison des prix

Conclusion

Notre analyse expérimentale montre l’efficacité du concept BlockEV proposé. Notre mécanisme de sélection de borne diminue considérablement le prix de recharge d’un VE et offre l’avantage supplémentaire d’une meilleure qualité de service. Mais, le plus important, c’est que le concept proposé permet aux VE et aux bornes de communiquer entre eux sans qu’un tiers de confiance aie à partager leurs informations privées avec d’autres entités du réseau, assurant ainsi un réseau sécurisé de recharge de VE.

Information supplémentaire

Pour plus d’information sur cette recherche, consulter l’article de conférence suivant : Danish, Syed Muhammad, Kaiwen Zhang, Hans-Arno Jacobsen, Nouman Ashraf et Hassaan Khaliq Qureshi, « BlockEV: Efficient and secure charging station selection for electric vehicles. » IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems (2020).