車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下安全通信機(jī)制研究

郝立元

摘要：車(chē)輛作為車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANETs）的節(jié)點(diǎn)具有數(shù)量多，速度快等特點(diǎn)，VANETs現(xiàn)有的安全算法會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而降低效率。為了適應(yīng)VANETs的特點(diǎn)，提出了基于多陷門(mén)哈希函數(shù)的簽密方案，該方案通過(guò)改進(jìn)聚合驗(yàn)證算法，提高了計(jì)算效率，然后基于該方案設(shè)計(jì)了VANETs環(huán)境下的安全通信協(xié)議，該協(xié)議保證車(chē)輛和交通基礎(chǔ)設(shè)施之間通信的安全性。通過(guò)性能對(duì)比方案，驗(yàn)證該方案的機(jī)密，完整和高效性。

關(guān)鍵詞：車(chē)聯(lián)網(wǎng);安全通信協(xié)議;安全通信算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）18-0047-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on Safety Communication Mechanism in the Environment of Vehicular ad hoc Networks

HAO Li-Yuan

（The Media Engineering Institute，Lanzhou University of Arts and Science ， Lanzhou 730000，China）

Abstract： As the nodes of vehicular ad hoc networks （VANETs）， vehicles have the characteristics of large number and high speed. The existing security algorithms of VANETs will reduce the efficiency as the number of nodes increases. In order to adapt to the characteristics of VANETs， a signcryption scheme based on the hash function of multiple trapdoors is proposed. The scheme improves the calculation efficiency by improving the aggregation verification algorithm. Then， based on the scheme， a secure communication protocol under the VANETs environment is designed， which guarantees The security of communication between vehicles and transportation infrastructure. Through the performance comparison program， verify the confidentiality， integrity and efficiency of the program.

Key word： VANETs; secure communication protocol; secure communication algorithm

1 引言

隨著5G技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad Hoc Network，VANETs）[1]已經(jīng)由概念逐漸走向?qū)嶋H應(yīng)用。作為未來(lái)智能交通系統(tǒng)的承載體，VANETs實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)之間，車(chē)與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的實(shí)時(shí)通信，從而讓車(chē)輛之間車(chē)輛與道路之間獲得實(shí)時(shí)路況信息，一方面可以有效解決道路的擁堵問(wèn)題，另一方面也為自動(dòng)駕駛提供基本的感知數(shù)據(jù)。與其他網(wǎng)絡(luò)通信類(lèi)似，VANETs在傳輸過(guò)程中需要滿足數(shù)據(jù)的有效性，機(jī)密性和完整性，然而由于VANETs的特點(diǎn)，其安全算法隨著VANETs中節(jié)點(diǎn)增加時(shí)而變得低效[2]，且對(duì)VANETs來(lái)說(shuō)，其安全特性需要滿足1）無(wú)界性;2）高速移動(dòng)性以及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu);3）更好的物理保護(hù)機(jī)制。針對(duì)上述特性，提出了基于多陷門(mén)哈希函數(shù)的簽密方案[3]，該方案通過(guò)改進(jìn)聚合驗(yàn)證算法[4]，提高了計(jì)算效率，然后基于該方案設(shè)計(jì)了VANETs環(huán)境下的安全通信協(xié)議，該協(xié)議保證車(chē)輛和交通基礎(chǔ)設(shè)施之間通信的安全性。

2 VANETs新型安全通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

2.1 協(xié)議概述

VANETs中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要包括兩種：（1）不需要加密的數(shù)據(jù)，主要指車(chē)輛的動(dòng)態(tài)信息，如車(chē)輛的位置信息，速度，方向，車(chē)道，目標(biāo)方向等;（2）加密的數(shù)據(jù)，包括車(chē)輛屬性等靜態(tài)信息。第一類(lèi)數(shù)據(jù)由OBUs采集，并通過(guò)無(wú)線信道發(fā)送給RSUs，可以實(shí)時(shí)反饋路況信息;第二類(lèi)數(shù)據(jù)由RSUs收集，然后將其發(fā)送到TCC，由TCC進(jìn)行分析和處理，對(duì)城市交通進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度?；贛HASCS設(shè)計(jì)的VANETs新型安全通信協(xié)議，簡(jiǎn)稱MBVP，該協(xié)議具有如下特點(diǎn)：

（1）MHASCS簽密方案可以保證車(chē)輛數(shù)據(jù)的完整性和不可否認(rèn)性，而且保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性;

（2）使用多陷門(mén)哈希函數(shù)技術(shù)完成聚合驗(yàn)證，可以避免雙線性對(duì)的復(fù)雜運(yùn)算，同時(shí)標(biāo)量運(yùn)算是一個(gè)固定的常數(shù)，與車(chē)輛數(shù)量無(wú)關(guān)，不會(huì)因?yàn)檐?chē)輛數(shù)據(jù)增加導(dǎo)致運(yùn)算速度下降;

（3）對(duì)車(chē)輛實(shí)行無(wú)證書(shū)密碼體制，免去了車(chē)輛的認(rèn)證管理，避免密鑰管理的問(wèn)題。

在VANETs環(huán)境中，參與通信的包括OBUs，RSUs，TCC，其中TCC又可以分為追蹤機(jī)構(gòu)TRA和密鑰管理中心KMC和交通數(shù)據(jù)中心TDC[5]。在防篡改設(shè)備的保護(hù)下，OBUs的簽密不會(huì)被攻擊者輕易獲取，同時(shí)OBUs會(huì)利用該簽密將車(chē)輛產(chǎn)生的簽密消息發(fā)送給附近的RSU。RSU將該消息解密，并做出實(shí)時(shí)反饋，然后將解密數(shù)據(jù)發(fā)送給TDC。KMC負(fù)責(zé)為RSUs生產(chǎn)公鑰證書(shū)并保存部分OBUs部分私鑰。TRA是一個(gè)可信追蹤機(jī)構(gòu)，為每個(gè)車(chē)輛生成假名并進(jìn)行管理，系統(tǒng)模型如圖1所示。

2.2 協(xié)議具體設(shè)計(jì)

MBVP主要包括6個(gè)階段：初始化，假名生成，設(shè)備注冊(cè)，RSU廣播，交通信息上傳，聚合驗(yàn)證和解密。其詳細(xì)過(guò)程如下：

（1）系統(tǒng)初始化。KMC隨機(jī)選擇[s∈Z*q]，設(shè)置主密鑰為[MK=s]，并計(jì)算[Ppub=sP]作為系統(tǒng)公鑰，TRA隨機(jī)選擇[β∈Z*q]為主密鑰，并計(jì)算[Tpub=βP]，KMC發(fā)布系統(tǒng)公共參數(shù)[params=]，OBUs和RSUs分別存儲(chǔ)該參數(shù);

（2）假名生成。汽車(chē)[Vi]隨機(jī)選擇[λi∈Z*q]，并計(jì)入[PIDi1=λiP]作為假名的一部分，結(jié)合[Vi]的真實(shí)身份發(fā)送給TRA，TRA通過(guò)計(jì)算生成假名[PIDi=]發(fā)送給汽車(chē)[Vi]，汽車(chē)[Vi]作為自己的假名。

（3）設(shè)備注冊(cè)。以O(shè)BUs為例，隨機(jī)選擇[xi∈Z*q]作為秘密值，并計(jì)算部分公鑰[Xi=xiP]，KMC隨機(jī)選擇[ki∈Z*q]，計(jì)算[Di=kiP]，并計(jì)算[di=ki+sQi]作為[Vi]的部分私鑰，然后將[Di]和[di]作為私鑰發(fā)送給[Vi];

（4）RSU廣播。R隨機(jī)選擇[η∈Z*q]，使用自己的私鑰生成數(shù)字簽名[Sig（η，sk，ttR）]，其中[ttR]為時(shí)間戳，然后通過(guò)R周期性廣播PKT;

（5）交通信息上傳。隨機(jī)選擇[ωi∈Z*q]，計(jì)算[Wi=ωiP]，選擇消息[mi]，計(jì)算[ci=miH2（ωipk）]，計(jì)算一次性陷門(mén)鑰[zi=ηH1PIDi，Di，Xi，tti-H1ci，Wi，certR，tti+（di+xi）]，計(jì)算[ti=xi-H1（η*pk）（di+xi）]，發(fā)送簽密[σi=]給R;

（6）批量驗(yàn)證和解密，當(dāng)R接收通信范圍車(chē)輛發(fā)送的簽密后，然后通過(guò)計(jì)算一次性陷門(mén)哈希鑰值[V1]和多陷門(mén)哈希碰撞值[V2]是否相等，如果不相等，則驗(yàn)證無(wú)效，否則進(jìn)入下一步解密流程。

3 性能仿真分析

為了驗(yàn)證MHASCS的性能，本文采用仿真實(shí)驗(yàn)分析，通過(guò)采用Java Pairing Based Cryptography密碼庫(kù)[6]的type-I曲線對(duì)相關(guān)方案進(jìn)行運(yùn)行分析，分別驗(yàn)證AGSBHAP[7]協(xié)議，PVCRCMS協(xié)議[8]和本文協(xié)議的聚合驗(yàn)證性能，解密過(guò)程性能，聚合簽密過(guò)程性能的對(duì)比結(jié)果。

在VANETs環(huán)境中，聚合簽密方案體現(xiàn)在聚合驗(yàn)證過(guò)程和聚合解簽密構(gòu)成的總體效率，從圖2中可以看出本算法的聚合驗(yàn)證性能并不會(huì)隨著車(chē)輛數(shù)量的增加而顯著增加，而且增長(zhǎng)率在3種算法中是最低的，相對(duì)于其他2種方案有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。在聚合解簽密過(guò)程中，本文算法的增長(zhǎng)速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他2種方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)VANETs環(huán)境，從理論上設(shè)計(jì)了一種基于多陷門(mén)哈希函數(shù)的異構(gòu)聚合簽密方案，然后證明該方案的機(jī)密性和不可否認(rèn)性。該方案應(yīng)用在VANETs環(huán)境中，使得車(chē)輛網(wǎng)通信過(guò)程中的聚合驗(yàn)證和聚合解簽密過(guò)程的效率最高。最后本文基于上述方案設(shè)計(jì)了新型安全通信協(xié)議，保證了OBUs和RSUs之間的安全數(shù)據(jù)傳輸。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】