楊亞芳（山西大學(xué) 軟件學(xué)院，山西 太原 030013）

基于城市公交的車(chē)載自組網(wǎng)隱私保護(hù)協(xié)議

楊亞芳
（山西大學(xué) 軟件學(xué)院，山西 太原 030013）

針對(duì)車(chē)載自組網(wǎng)中存在的隱私泄露問(wèn)題，提出了一種基于城市公交的車(chē)載自組網(wǎng)隱私保護(hù)協(xié)議。該協(xié)議利用可信度高的公交車(chē)來(lái)廣播路況信息和應(yīng)答車(chē)輛路況信息的查詢，有效地減少普通車(chē)輛需認(rèn)證消息的數(shù)量；公交車(chē)?yán)冒踩J(rèn)證中心頒發(fā)的數(shù)字證書(shū)與其他車(chē)輛建立起信任關(guān)系，解決了用戶假冒的問(wèn)題；車(chē)輛之間利用Diffie-Hellman算法生成會(huì)話密鑰對(duì)消息進(jìn)行對(duì)稱(chēng)加密，有效地保護(hù)了用戶的身份信息，同時(shí)提高了消息認(rèn)證的效率。安全性證明和分析表明，該協(xié)議在語(yǔ)義上是安全的，能抵抗現(xiàn)有各種攻擊，并且可以實(shí)時(shí)處理用戶的請(qǐng)求。

車(chē)載自組網(wǎng)；公交車(chē)；安全；隱私；數(shù)字證書(shū)

0 引言

車(chē)載自組網(wǎng)（Vehicular Ad hoc Network，VANET）由認(rèn)證中心（Certification Authority，CA）、路邊單元（Road Side Unit，RSU）和車(chē)載單元（On Board Unit，OBU）共同組成［1-2］。VANET能有效地提高道路的使用效率，減少意外事故的發(fā)生，因此受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的普遍關(guān)注，已取得了部分研究成果。

然而，VANET的發(fā)展仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)，VANET的開(kāi)放性使得攻擊形式多樣化，高度動(dòng)態(tài)性和移動(dòng)性使得攻擊行為難以被檢測(cè)與發(fā)現(xiàn)。如何在確保信息的完整性和可追溯性的同時(shí)，保護(hù)用戶的安全隱私，并且實(shí)時(shí)處理用戶請(qǐng)求成為接納VANET的關(guān)鍵。

一般來(lái)說(shuō)，VANET中的車(chē)輛需要保護(hù)身份不被泄漏，而RSU不需要保護(hù)其身份。為了確保合法用戶的身份信息不被攻擊者所知，必須對(duì)其身份信息進(jìn)行加密；為了防止惡意節(jié)點(diǎn)假冒合法用戶，目前各國(guó)要求所有車(chē)輛必須在管理部門(mén)進(jìn)行登記注冊(cè)，管理部門(mén)對(duì)所有車(chē)輛進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)并提供身份認(rèn)證。VANET中車(chē)輛身份編號(hào)的唯一性能有效保證身份認(rèn)證服務(wù)的實(shí)施。身份認(rèn)證可以有效保護(hù)系統(tǒng)不被外部攻擊者所侵害，但增加了個(gè)人隱私泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。有時(shí)VANET通過(guò)不定期地更換假名來(lái)保護(hù)用戶隱私。

然而VANET不定期更換用戶假名容易引發(fā)女巫攻擊［3］，一個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)蓄意聲稱(chēng)自己有多個(gè)不同身份的女巫攻擊會(huì)對(duì)VANET產(chǎn)生巨大危害［4］。針對(duì)這些問(wèn)題，陳辰［4］提出了女巫攻擊檢測(cè)算法SADSIV，通過(guò)驗(yàn)證授權(quán)認(rèn)證單元（Authentication Unit，AU）定期向車(chē)輛節(jié)點(diǎn)提供不可篡改的數(shù)字簽名來(lái)確定車(chē)輛身份的唯一性。由于同一AU對(duì)不同車(chē)輛的數(shù)字簽名相同，那么惡意節(jié)點(diǎn)可能會(huì)根據(jù)AU的數(shù)字簽名追蹤用戶。

針對(duì)這些問(wèn)題，王景欣等人［5］構(gòu)建了匿名互換的社團(tuán)，并通過(guò)組密鑰機(jī)制實(shí)現(xiàn)保證基本安全需求下的匿名互換。同時(shí)，參考文獻(xiàn)［6］提出所有車(chē)輛節(jié)點(diǎn)必須在CA注冊(cè)并且由其分發(fā)車(chē)輛的公鑰和私鑰以保證用戶的隱私。但是，這些協(xié)議［5-6］未考慮到 VANET中所產(chǎn)生的海量消息，認(rèn)證需要花費(fèi)大量時(shí)間，尤其是在車(chē)流密度大的情況下，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性。

針對(duì)參考文獻(xiàn)［5-6］消息的不及時(shí)性，劉輝等人［7］提出了一個(gè)基于群組密鑰的認(rèn)證方案。該方案采用批量驗(yàn)證技術(shù)降低了車(chē)輛的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，成功地解決VANET中消息認(rèn)證的不及時(shí)性。但是該方案不能抵抗重放攻擊。

［4-7］中任何車(chē)輛都可以廣播消息，那么海量消息可能會(huì)阻塞信道，同時(shí)需要大量的簽名認(rèn)證，耗費(fèi)大量時(shí)間和計(jì)算能力。因此設(shè)計(jì)一個(gè)高效的隱私保護(hù)協(xié)議迫在眉睫。

本文提出一個(gè)基于城市公交的VANET隱私保護(hù)協(xié)議，能實(shí)時(shí)處理用戶的請(qǐng)求，同時(shí)很好地保護(hù)用戶的隱私。協(xié)議僅允許可信性高的公交車(chē)廣播消息，有效地減少了消息的數(shù)量，提高了消息的質(zhì)量和認(rèn)證速度，可以實(shí)時(shí)處理用戶的請(qǐng)求。利用DH算法產(chǎn)生會(huì)話密鑰進(jìn)行車(chē)輛之間的信息交流，最大程度保證用戶身份不被泄露。車(chē)輛之間利用對(duì)稱(chēng)密鑰通信，提高了加密的速度，有效地減少了系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)。

1 預(yù)備知識(shí)

1.1 雙線性對(duì)

設(shè)G1和G2分別表示階為素?cái)?shù)q的加法循環(huán)群和乘法循環(huán)群，p是 G1的生成元。若映射e：G1×G2→G2滿足下列性質(zhì)，則稱(chēng)為雙線性對(duì)。（1）雙線性：對(duì)任何a，b∈，e（aP，bP）=e（P，P）ab。（2）非退化性：e（P，P）≠1。（3）可計(jì)算性：對(duì)所有的 P，Q∈G1，都能有效計(jì)算 e（P，Q）。雙線性對(duì)e可以通過(guò)有限域上的超橢圓曲線的Tate對(duì)或Wail對(duì)來(lái)構(gòu)造。

1.2 Diffie-Hellman問(wèn)題

CDH（Computational Diffie-Hellman）問(wèn)題：任意（aP，bP），其中 a，b∈，計(jì)算 abP。BDH（Bilinear Diffie-Hellman）問(wèn)題：任給（aP，bP，cP），其中 a，b，c∈，計(jì)算e（P，P）abc。

Diffie-Hellman算法具有兩個(gè)吸引力的特征［8］：

（1）僅當(dāng)需要時(shí)才生成密鑰，減少了將密鑰存儲(chǔ)很長(zhǎng)一段時(shí)間而致使遭受攻擊的機(jī)會(huì)；

（2）除對(duì)全局參數(shù)的約定外，密鑰交換不需要事先存在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

Diffie-Hellman算法也存在不足［8］：

（1）沒(méi)有提供雙方身份的任何信息；

（2）沒(méi)辦法防止重放攻擊。

2 協(xié)議提出

假設(shè)CA負(fù)責(zé)車(chē)輛登記，有足夠的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，所有的RSU通過(guò)有線或無(wú)線方式與CA相連。CA完全被各方信任，不可能被攻擊者攻破。所有車(chē)輛都通過(guò)RSU相互通信。

本文提出了一個(gè)基于城市公交的VANET隱私保護(hù)協(xié)議。根據(jù)可信度將用戶分為兩類(lèi)：普通車(chē)輛和公交車(chē)。相對(duì)于普通車(chē)輛，公交車(chē)具有固定的行駛路線，速度較為緩慢，具有較高可信度。本協(xié)議有4類(lèi)實(shí)體，分別是公交車(chē)VB、普通車(chē)輛VC、CA、RSU。本協(xié)議分為3個(gè)階段：注冊(cè)階段、公交車(chē)與普通車(chē)輛認(rèn)證階段、公交車(chē)認(rèn)證階段。各符號(hào)如表1所示。

表1 符號(hào)

2.1 注冊(cè)階段

普通車(chē)輛和公交車(chē)都需要在CA進(jìn)行統(tǒng)一注冊(cè)。CA為注冊(cè)的公交車(chē)頒發(fā)數(shù)字證書(shū) CertuB，不為普通車(chē)輛頒發(fā)，然而必須為所有注冊(cè)車(chē)輛約定全局參數(shù)。由于一個(gè)城市的公交車(chē)歸為數(shù)不多的公交公司管理，那么可以通過(guò)公交公司統(tǒng)一在CA注冊(cè)。注冊(cè)階段，公交車(chē)、公交車(chē)公司、CA三者之間的信道是安全的。

公交車(chē)注冊(cè)過(guò)程如圖1所示。

圖1 公交車(chē)的注冊(cè)階段

（1）公交車(chē) VB產(chǎn)生公私鑰對(duì)（PrkB，PukB），將 PukB、PrkB（BID）、BID通過(guò)公交公司發(fā)送給CA。

（2）CA收到 VB所發(fā)送的消息后，利用公鑰 PukB解密 PrkB（BID）得到 BID，驗(yàn)證明文傳送的 BID與解密所得BID是否相等，若相等則產(chǎn)生數(shù)字證書(shū)CertuB，該證書(shū)包含其生命周期 lifetime和 VB的公鑰 PukB。將該證書(shū)CertuB通過(guò)公交公司發(fā)送給 VB。

（3）VB收到 CertuB后，驗(yàn)證是否正確，若正確，則保存該證書(shū)，否則丟棄證書(shū)。

2.2 公交車(chē)與普通車(chē)輛的認(rèn)證階段

公交車(chē)每過(guò)一段時(shí)間就廣播其附近路況的消息，普通車(chē)輛和其他公交車(chē)則接收消息，若普通車(chē)輛收到消息后，需要查詢更多消息，則利用DH算法生成會(huì)話密鑰進(jìn)行消息交流，過(guò)程如圖2所示。

圖2 公交車(chē)與普通車(chē)輛的認(rèn)證階段

（1）公交車(chē) VB產(chǎn)生消息 M1、時(shí)間戳 t1，并用其私鑰加密得 PrkB（M1||t1||CertuB），然后廣播 CertuB和 PrkB（M1|| t1||CertuB）。

（2）普通車(chē)輛 VC收到公交車(chē)廣播的消息后，首先驗(yàn)證CertuB是否合法，若合法，利用 CertuB上的公鑰 PukB解密得 M1、t1；驗(yàn)證解密所得 CertuB是否與明文發(fā)送的CertuB相同，若相同，驗(yàn)證t1是否合法，若合法，則接受M1。

（3）若普通車(chē)輛需要向公交車(chē)詢問(wèn)更多消息，則產(chǎn)生時(shí)間戳t2、消息 M2，隨機(jī)數(shù)a、XA∈，計(jì)算YA∈aX A。VC利用VB的公鑰PukB加密消息得到PukB（M2‖t2‖YA‖a‖t1），并將其發(fā)送給VB。

（4）VB用其私鑰解密得 M2‖t2‖YA‖a‖t1，驗(yàn)證解密所得 t1與VB保存的t1是否相同，若不相同，則丟棄 M2；否則隨機(jī)選擇 XB∈，計(jì)算 Q=aX B和sk=，產(chǎn)生回應(yīng)消息 M3和時(shí)間戳 t3，將 Esk（M3‖t3‖Q）、Q發(fā)送給 VC。

（5）VC收到消息以后，計(jì)算 sk=QX A，并用sk解密得M3、t3、Q，驗(yàn)證明文傳遞Q是否與解密所得Q相等。若相等則驗(yàn)證 t3是否過(guò)期，若不過(guò)期，則保存 M3，否則丟棄M3。

2.3 公交車(chē)之間的認(rèn)證階段

公交車(chē)通過(guò)相互交流，得到不同路段的信息，公交車(chē)之間認(rèn)證過(guò)程如圖3所示。

（1）公交車(chē) VB1產(chǎn)生時(shí)間戳 t4，隨機(jī)選擇 b，XB1∈，計(jì)算 YB=YX B1。將 PukB2（b‖YB‖CertuB1‖PukB1（CertuB1））發(fā)送公交車(chē)VB2。

（2）VB2收到消息后，利用其私鑰解密消息得：b、YB、t4、CertuB1、PrkB1（CertuB1）。首先驗(yàn)證 t4是否過(guò)期，若過(guò)期，則丟棄消息；否則利用 VB1的公鑰解密得 CertuB1，驗(yàn)證若相等則隨機(jī)選擇 XB2∈，計(jì)算 Q′= bX B2、sk′=。然后產(chǎn)生消息 M4和時(shí)間戳 t5。將PukB1（Q′‖t5‖CertuB2），Esk′（M4‖t5）發(fā)送給 VB1。

（3）VB1收到消息后，用其私鑰 PrkB1解密消息得：Q′、t5。驗(yàn)證t5是否過(guò)期，若過(guò)期，則丟棄消息；否則計(jì)算會(huì)話密鑰sk′=Q′XB2。利用 sk′解密得 M4、t5，驗(yàn)證若不相等，則丟棄消息，否則接受 M4。

圖3 公交車(chē)之間的認(rèn)證階段

3 協(xié)議分析

3.1 安全性證明

語(yǔ)義安全是戈德瓦塞爾和米卡里［9］在 1982年提出的密碼學(xué)術(shù)語(yǔ)。如果已知某段未知文段的密文不會(huì)泄露任何文段的其余信息，則稱(chēng)該密文是語(yǔ)義安全的［9］，并且證明語(yǔ)義安全性和密文不可辨別性等價(jià)［10］。

定理1基于雙線性映射群中CDH數(shù)學(xué)難題成立前提下，本協(xié)議在語(yǔ)義上是安全的。L為本協(xié)議，是明文消息M3的集合。

證明：假設(shè)敵手（Adversary，A）在任何概率多項(xiàng)式時(shí)間t內(nèi)得到消息M3優(yōu)勢(shì)為（k），那么通過(guò)構(gòu)造A與挑戰(zhàn)者交互的游戲，證明A贏得該游戲的優(yōu)勢(shì)可以忽略。具體步驟如下。

Setup模擬：A重構(gòu) VC與VB的會(huì)話密鑰困難是，A需要知道生成會(huì)話密鑰的參數(shù)XA。A將竊聽(tīng)所得消息PukB（M2‖t2‖YA‖a‖t1）發(fā)送給挑戰(zhàn)者。

挑戰(zhàn)模擬：挑戰(zhàn)者選取 c∈｛0，1｝，選取兩個(gè)長(zhǎng)度一樣的明文 m0，m1∈，將 Esk（mc||t3||Q）發(fā)送給 A。A隨機(jī)選擇參數(shù) k∈，計(jì)算會(huì)話密鑰 sk″=Qk，利用 sk″解密收到的消息。

猜測(cè)模擬：A輸出c′∈｛0，1｝，當(dāng)且僅當(dāng) c′=c時(shí)，A贏得游戲。A贏得游戲的優(yōu)勢(shì)為：

3.2 安全性分析經(jīng)分析，該協(xié)議滿足以下安全需求：（1）匿名性

本文用戶分為兩種：公交車(chē)和普通車(chē)輛。公交車(chē)?yán)脭?shù)字證書(shū)與其他車(chē)輛進(jìn)行相互認(rèn)證，僅CA知道其身份。普通車(chē)輛利用DH算法生成的會(huì)話密鑰與公交車(chē)進(jìn)行交流，身份不可能被泄露。故協(xié)議具有用戶匿名性。

（2）防重放攻擊

本協(xié)議利用時(shí)間戳來(lái)防重放攻擊。

（3）防假冒攻擊

公交車(chē)用戶利用數(shù)字證書(shū) Certu來(lái)保護(hù)其身份，有效地防止了假冒攻擊。

（4）防追蹤攻擊

在本協(xié)議中，普通車(chē)輛收到公交車(chē)廣播的消息后，利用公交車(chē)公鑰加密問(wèn)詢消息，公交車(chē)應(yīng)答消息利用DH算法生成的會(huì)話密鑰加密，公交車(chē)與普通車(chē)輛之間每次交流的消息不相同，故本協(xié)議可以抵抗追蹤攻擊。

（5）防女巫攻擊

本協(xié)議中所有車(chē)輛沒(méi)有假名，所以不存在女巫攻擊。

3.3 性能分析

一個(gè)有效的VANET安全協(xié)議不僅滿足VANET的安全需要，并且盡量減少OBU成本，提高執(zhí)行效率。在本文僅有公交車(chē)可以廣播和回應(yīng)車(chē)輛的消息查詢，普通車(chē)輛僅接收公交車(chē)所發(fā)送的消息。普通車(chē)輛與方案［5-9］相比需認(rèn)證的消息數(shù)量要少許多，有效地減少了普通車(chē)輛OBU成本，提高了認(rèn)證速度。雖然在一定程度上需要提高公交車(chē)OBU的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，但公交車(chē)的數(shù)量與普通車(chē)輛相比數(shù)量較少，從整體分析，本協(xié)議可以提高VANET的執(zhí)行效率。

例如2015年初太原市共擁有公交車(chē)2900多輛，而2013年整個(gè)城市擁有普通車(chē)輛（僅指?jìng)€(gè)人轎車(chē)）高達(dá)40萬(wàn)輛［11］。根據(jù)太原交通局指示，2015年度將投資 1千多萬(wàn)元來(lái)完成公交車(chē)智能化改造［12］。全國(guó)其他城市也正大力支持公交車(chē)的智能化改造。

4 結(jié)論

VANET的隱私保護(hù)和實(shí)時(shí)性非常關(guān)鍵，本文提出一個(gè)基于城市公交的隱私保護(hù)協(xié)議。該協(xié)議通過(guò)可信度高的公交車(chē)和DH算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性和隱私保護(hù)。理論分析表明，本協(xié)議能有效保證用戶隱私，同時(shí)節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，適應(yīng)VANET拓?fù)淇焖僮兓?，?shí)現(xiàn)安全高效的通信。

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Secure and privacy-preserving protocol based on bus for VANET

Yang Yafang
（School of Software，Shanxi University，Taiyuan 0310013，China）

The paper proposes a secure and privacy-preserving protocol based on bus to resolve information security and privacy-preserving problem in VANET.High reliability bus is employed in the protocol to broadcast message and reply to query of vehicle，which can reduce the number of authenticated message.Digital certificate is used to help vehicles to build trust relationship.Moreover，symmetric encryption technique is employed to accelerate the verification.Diffie-Hellman algorism solves to preserve privacy.Security test and analysis show that the protocol is semantic security，can resist existing attacks and deal with user′s request in time.

Vehicular Ad hoc Network；bus；security；privacy；digital certification

TP393.08

A

1674-7720（2015）22-0001-04

楊亞芳.基于城市公交的車(chē)載自組網(wǎng)隱私保護(hù)協(xié)議［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（22）：1-4.

2015-05-30）

楊亞芳（1986-），女，碩士，助教，主要研究方向：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議、VANET安全協(xié)議。