車聯網環境下安全通信機制研究

郝立元

摘要：車輛作為車載自組織網絡（VANETs）的節點具有數量多，速度快等特點，VANETs現有的安全算法會隨著節點數量的增加而降低效率。為了適應VANETs的特點，提出了基于多陷門哈希函數的簽密方案，該方案通過改進聚合驗證算法，提高了計算效率，然后基于該方案設計了VANETs環境下的安全通信協議，該協議保證車輛和交通基礎設施之間通信的安全性。通過性能對比方案，驗證該方案的機密，完整和高效性。

關鍵詞：車聯網;安全通信協議;安全通信算法

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）18-0047-02

開放科學（資源服務）標識碼（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技術的成熟和廣泛應用，車載自組織網絡（Vehicular Ad Hoc Network，VANETs）[1]已經由概念逐漸走向實際應用。作為未來智能交通系統的承載體，VANETs實現車與車之間，車與道路基礎設施之間的實時通信，從而讓車輛之間車輛與道路之間獲得實時路況信息，一方面可以有效解決道路的擁堵問題，另一方面也為自動駕駛提供基本的感知數據。與其他網絡通信類似，VANETs在傳輸過程中需要滿足數據的有效性，機密性和完整性，然而由于VANETs的特點，其安全算法隨著VANETs中節點增加時而變得低效[2]，且對VANETs來說，其安全特性需要滿足1）無界性;2）高速移動性以及動態結構;3）更好的物理保護機制。針對上述特性，提出了基于多陷門哈希函數的簽密方案[3]，該方案通過改進聚合驗證算法[4]，提高了計算效率，然后基于該方案設計了VANETs環境下的安全通信協議，該協議保證車輛和交通基礎設施之間通信的安全性。

2 VANETs新型安全通信協議的設計

2.1 協議概述

VANETs中傳輸的數據主要包括兩種：（1）不需要加密的數據，主要指車輛的動態信息，如車輛的位置信息，速度，方向，車道，目標方向等;（2）加密的數據，包括車輛屬性等靜態信息。第一類數據由OBUs采集，并通過無線信道發送給RSUs，可以實時反饋路況信息;第二類數據由RSUs收集，然后將其發送到TCC，由TCC進行分析和處理，對城市交通進行統一調度。基于MHASCS設計的VANETs新型安全通信協議，簡稱MBVP，該協議具有如下特點：

（1）MHASCS簽密方案可以保證車輛數據的完整性和不可否認性，而且保證數據傳輸的機密性;

（2）使用多陷門哈希函數技術完成聚合驗證，可以避免雙線性對的復雜運算，同時標量運算是一個固定的常數，與車輛數量無關，不會因為車輛數據增加導致運算速度下降;

（3）對車輛實行無證書密碼體制，免去了車輛的認證管理，避免密鑰管理的問題。

在VANETs環境中，參與通信的包括OBUs，RSUs，TCC，其中TCC又可以分為追蹤機構TRA和密鑰管理中心KMC和交通數據中心TDC[5]。在防篡改設備的保護下，OBUs的簽密不會被攻擊者輕易獲取，同時OBUs會利用該簽密將車輛產生的簽密消息發送給附近的RSU。RSU將該消息解密，并做出實時反饋，然后將解密數據發送給TDC。KMC負責為RSUs生產公鑰證書并保存部分OBUs部分私鑰。TRA是一個可信追蹤機構，為每個車輛生成假名并進行管理，系統模型如圖1所示。

2.2 協議具體設計

MBVP主要包括6個階段：初始化，假名生成，設備注冊，RSU廣播，交通信息上傳，聚合驗證和解密。其詳細過程如下：

（1）系統初始化。KMC隨機選擇[s∈Z*q]，設置主密鑰為[MK=s]，并計算[Ppub=sP]作為系統公鑰，TRA隨機選擇[β∈Z*q]為主密鑰，并計算[Tpub=βP]，KMC發布系統公共參數[params=]，OBUs和RSUs分別存儲該參數;

（2）假名生成。汽車[Vi]隨機選擇[λi∈Z*q]，并計入[PIDi1=λiP]作為假名的一部分，結合[Vi]的真實身份發送給TRA，TRA通過計算生成假名[PIDi=]發送給汽車[Vi]，汽車[Vi]作為自己的假名。

（3）設備注冊。以OBUs為例，隨機選擇[xi∈Z*q]作為秘密值，并計算部分公鑰[Xi=xiP]，KMC隨機選擇[ki∈Z*q]，計算[Di=kiP]，并計算[di=ki+sQi]作為[Vi]的部分私鑰，然后將[Di]和[di]作為私鑰發送給[Vi];

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

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

（6）批量驗證和解密，當R接收通信范圍車輛發送的簽密后，然后通過計算一次性陷門哈希鑰值[V1]和多陷門哈希碰撞值[V2]是否相等，如果不相等，則驗證無效，否則進入下一步解密流程。

3 性能仿真分析

為了驗證MHASCS的性能，本文采用仿真實驗分析，通過采用Java Pairing Based Cryptography密碼庫[6]的type-I曲線對相關方案進行運行分析，分別驗證AGSBHAP[7]協議，PVCRCMS協議[8]和本文協議的聚合驗證性能，解密過程性能，聚合簽密過程性能的對比結果。

在VANETs環境中，聚合簽密方案體現在聚合驗證過程和聚合解簽密構成的總體效率，從圖2中可以看出本算法的聚合驗證性能并不會隨著車輛數量的增加而顯著增加，而且增長率在3種算法中是最低的，相對于其他2種方案有絕對優勢。在聚合解簽密過程中，本文算法的增長速度也遠遠優于其他2種方案。

4 結束語

本文針對VANETs環境，從理論上設計了一種基于多陷門哈希函數的異構聚合簽密方案，然后證明該方案的機密性和不可否認性。該方案應用在VANETs環境中，使得車輛網通信過程中的聚合驗證和聚合解簽密過程的效率最高。最后本文基于上述方案設計了新型安全通信協議，保證了OBUs和RSUs之間的安全數據傳輸。

參考文獻：

[1] 陳麗霞，譚海艷.VANETs系統仿真信道建模優化[J].網絡安全技術與應用，2020（7）：45-46.

[2] 周天祺，楊惠杰，沈劍.車聯網中支持動態操作的密鑰協商協議[J].密碼學報，2020，7（3）：375-388.

[3] 李佩麗，徐海霞，馬添軍，等.可更改區塊鏈技術研究[J].密碼學報，2018，5（5）：501-509.

[4] 李晨，祁正華.高效安全的無證書聚合簽密方案[J].計算機技術與發展，2020，30（10）：117-122.

[5] 許章，楊曉元，張薇.標準模型下具有IND-CCA2安全的混合加密方案[J].計算機應用研究，2016，33（4）：1124-1127.

[6] Odelu V，Saha S，Prasath R，et al.Efficient privacy preserving device authentication in WBANs for industrial e-health applications[J].Computers & Security，2019，83：300-312.

[7] Han Y L，Fang D Y，Yue Z L，et al.SCHAP：the aggregate SignCryption based hybrid authentication protocol for VANET[C]//Internet of Vehicles - Technologies and Services，2014.

[8] Basudan S，Lin X D，Sankaranarayanan K.A privacy-preserving vehicular crowdsensing-based road surface condition monitoring system using fog computing[J].IEEE Internet of Things Journal，2017，4（3）：772-782.

【通聯編輯：李雅琪】