孫二華 胡云冰

1(重慶建筑科技職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院 重慶 401331)

2(廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 福建 廈門361005)

0 引 言

車輛到電網(wǎng)(Vehicle-to-grid,V2G)技術(shù)允許電動(dòng)汽車存儲(chǔ)來自可再生能源的綠色能源[1]，幫助解決高電池成本的問題，并在需求高峰期將多余的電力注入電網(wǎng)，以獲得經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。隨著移動(dòng)用戶數(shù)量的增加，現(xiàn)有的技術(shù)不能滿足巨大的數(shù)據(jù)速率需求，必須采用具有支持高達(dá)10 Gbit/s的更高數(shù)據(jù)速率、更大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、超低的端到端延遲和更好的網(wǎng)絡(luò)可靠性的5G移動(dòng)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)[4-5]。智能電網(wǎng)是傳統(tǒng)電網(wǎng)的現(xiàn)代形式，使用無線技術(shù)收集和分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以提高可靠性，豐富可持續(xù)性并最大限度地降低供電成本[6-7]。同時(shí)，由于電力注入過程涉及交易和電力存儲(chǔ)單元在存儲(chǔ)、電池功率和計(jì)算資源方面受到限制，電力注入系統(tǒng)中的隱私保護(hù)、安全和效率問題亟待研究。

聚合簽名(Aggregate Signature,AS)是一種將n種不同數(shù)據(jù)上的n個(gè)簽名合并為一個(gè)簽名的變體簽名方案[8]。AS能夠在要對(duì)多個(gè)用戶進(jìn)行簽名的情況下極大地降低簽名計(jì)算復(fù)雜度，但因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)基于經(jīng)典的公鑰密碼學(xué)(Public Key Cryptography,PKC)，AS方案存在證書管理問題和較高的系統(tǒng)開銷[9]。由于橢圓曲線密碼學(xué)具有很高的安全性且其密鑰長(zhǎng)度比非對(duì)稱加密更小，基于橢圓曲線的數(shù)字簽名能夠保證數(shù)據(jù)的不可偽造性和不可否認(rèn)性[10]。橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問題(DLP)概念描述如下：給定橢圓曲線上的循環(huán)加法群中的兩個(gè)點(diǎn)P1和P2，計(jì)算整數(shù)k使等式P2=kP1成立，這是一種計(jì)算上的困難問題[11]。

為了解決車輛聯(lián)網(wǎng)的隱私保護(hù)和安全問題，文獻(xiàn)[12]提出了適用于車輛自組織網(wǎng)絡(luò)的無需配對(duì)的高效無證書聚合簽名，該方法基于橢圓曲線密碼體制(Elliptic Curve Cryptosystem,ECC)，具有較低的計(jì)算成本和通信成本。文獻(xiàn)[13]提出適用于車輛自組織的高效條件隱私保護(hù)認(rèn)證方案，該方案結(jié)合了基于假名的方法和組簽名的優(yōu)點(diǎn)，使用假名進(jìn)行消息驗(yàn)證，使用陷門進(jìn)行條件隱私保護(hù)。文獻(xiàn)[14]提出一種改進(jìn)的不需雙線性配對(duì)的車載自組織網(wǎng)絡(luò)無證書聚合簽名方案，該方案能夠滿足車載自組織網(wǎng)絡(luò)的隱私和安全需求，且支持批量驗(yàn)證、自治和條件隱私保護(hù)。此外，基于DLP的硬度假設(shè)，設(shè)計(jì)方案在隨機(jī)預(yù)言機(jī)模型中針對(duì)自適應(yīng)選擇消息攻擊的存在偽造可證明是安全的。

在研究了現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)的隱私和安全需求方案的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步降低計(jì)算開銷和通信開銷，本文提出了基于超高效無證書聚合簽名(CL-AS)算法的5G車載網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)匿名批量驗(yàn)證方法。該方案支持批量驗(yàn)證、匿名性、不可否認(rèn)性和條件隱私保護(hù)，基于橢圓曲線密碼體制設(shè)計(jì)了改進(jìn)的CL-AS算法來克服證書管理問題和較高的系統(tǒng)開銷，引入批量驗(yàn)證方法來加快驗(yàn)證速度和提高效率，驗(yàn)證者僅需要執(zhí)行兩個(gè)標(biāo)量乘法運(yùn)算，而不需考慮要驗(yàn)證的簽名數(shù)。該方案在不損害參與者隱私的情況下，以匿名的方式實(shí)現(xiàn)了所有注入競(jìng)價(jià)的批量可驗(yàn)證認(rèn)證。實(shí)驗(yàn)表明本文方案在計(jì)算開銷和通信開銷方面性能均優(yōu)于現(xiàn)有方法。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

用于車載通信和電力注入的典型系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型

該架構(gòu)涉及五個(gè)實(shí)體，分別為行政中心(Administration Center,AC)、公用事業(yè)公司(Utility company,UTC)、網(wǎng)關(guān)、電力儲(chǔ)能單元(Power storage units,PSU)和5G智能電網(wǎng)切片。PSU配有允許它們與網(wǎng)關(guān)通信的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)管理具有大量PSU的社區(qū)，網(wǎng)關(guān)和UTC之間的通信通過5G電網(wǎng)切片完成。自主車輛網(wǎng)絡(luò)(Autonomous vehicle network,AVN)是由移動(dòng)車輛、居民區(qū)和停車場(chǎng)相結(jié)合而形成的。具體描述如下：

AC是整個(gè)系統(tǒng)中唯一的可信機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)和用戶注冊(cè)，設(shè)它有足夠的存儲(chǔ)空間和高的處理計(jì)算能力，能夠執(zhí)行耗時(shí)且復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

PSU是移動(dòng)的車輛，可以儲(chǔ)存來自智能電網(wǎng)和其他可再生能源(如風(fēng)能和太陽能)的電力。PSU可以在非高峰時(shí)間以較低的價(jià)格從智能電網(wǎng)購買電力，并在高峰時(shí)間以更高的價(jià)格向電網(wǎng)注入多余的電力。每輛車都預(yù)先安裝一個(gè)無線車載單元(On-board unit,OBU)，OBU可使用專用短距離通信協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信。與AC不同，PSU在存儲(chǔ)、計(jì)算和電池功率方面是資源受限的。

網(wǎng)關(guān)是PSU和UTC間的聚合器和中介，可以從每個(gè)PSU收集功率注入報(bào)價(jià)并將收集的報(bào)價(jià)聚合，將聚合的報(bào)價(jià)提交給UTC做進(jìn)一步分析。

5G智能電網(wǎng)切片是為特定目的互連的大量5G網(wǎng)絡(luò)功能和特定無線接入技術(shù)設(shè)置的組合。在5G智能電網(wǎng)部署中，隱私、效率、安全性和可靠性是非常關(guān)鍵的，要為智能電網(wǎng)切片應(yīng)用程序設(shè)計(jì)5G網(wǎng)絡(luò)功能，必須在云邊緣附近聚合這些功能。

UTC通過AVN和5G智能電網(wǎng)切片網(wǎng)絡(luò)與PSU通信。在能源需求超過供應(yīng)的高峰時(shí)段，UTC聯(lián)系電力供應(yīng)商(如PSU)購買電力。

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

為實(shí)現(xiàn)電力注入系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)隱私感知批量驗(yàn)證認(rèn)證方案而定制的目標(biāo)如下。

批量身份驗(yàn)證：網(wǎng)關(guān)可以聚合并驗(yàn)證從大量PSU收集的簽名競(jìng)價(jià)。

匿名性：網(wǎng)關(guān)可以收集、聚合和檢查身份驗(yàn)證數(shù)據(jù)，但不能揭示數(shù)據(jù)發(fā)送者的真實(shí)身份。

條件可追溯性：雖然存儲(chǔ)單元的身份隱藏在其假名中，但AC可以在必要時(shí)從有爭(zhēng)議的數(shù)據(jù)中提取有爭(zhēng)議的PSU的身份。

不可否認(rèn)性：在成功進(jìn)行身份驗(yàn)證和條件可追溯性之后，任何PSU都不能拒絕將相關(guān)的競(jìng)價(jià)數(shù)據(jù)提交給公用事業(yè)公司。

2 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)能量注入特殊要求，提出了一種適用于5G車載網(wǎng)絡(luò)電力注入的大數(shù)據(jù)隱私感知的批量驗(yàn)證方案。該方案可以實(shí)現(xiàn)注入標(biāo)書的批量驗(yàn)證和提供用戶認(rèn)證，具有很強(qiáng)的匿名性。本文方案包括系統(tǒng)初始化、注冊(cè)、密鑰生成、簽名、聚合和批量驗(yàn)證六個(gè)部分。

2.1 系統(tǒng)初始化

AC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，它將安全參數(shù)作為輸入，輸出系統(tǒng)公共參數(shù)和主私鑰。

2.2 注 冊(cè)

每個(gè)存儲(chǔ)單元和AC負(fù)責(zé)用戶注冊(cè)，它輸入公共參數(shù)、主密鑰和用戶身份ID，輸出用戶的假名PIDi和部分私鑰PPKi。

AC選擇隨機(jī)數(shù)yi∈Zq，計(jì)算αi=h1(IDi,RIDi)，βi=h1(IDKGC,x,IDi,par)，si=αiβi+x，Ti=βiP，gi=h1(IDi,si,xi,Ti)，δi=yigi和PPKi=(si,Ti)，其中PPKi是PSUi的部分私鑰。然后它向PSUi發(fā)送(PIDi,PPKi)并在其存儲(chǔ)庫中存儲(chǔ)信息(IDi,RIDi,PPKi,δi,ti)。

2.3 生成私鑰

2.4 生成無證書簽名

uip=Vi+hiPK2i+PKAC

(1)

式(1)的正確性證明如下：

uiP=(dir1i+hir2iδi+si)P=

dir1iP+hir2iδiP+αiβiP+xP=

diPKi+hiPK2i+αiTi+PKAC=

隨天然胡楊林退化程度的加劇，土壤非毛管孔隙、非毛管孔隙度占總孔隙度的比例、土壤通氣度均值增大。與輕度退化相比，中度、重度退化下分別增加79. 65%、69. 65%、8. 92%和163. 22%、141. 79%、23. 17%。相反，毛管孔隙則減小，中度、重度退化下分別比輕度退化降低了12. 92%、26. 82%。此外，退化過程中尤其表層土壤總孔隙、非毛管孔隙顯著增加(P<0. 01)，而毛管孔隙則顯著降低(P<0. 01)。垂直分布(0～80 cm)上土壤毛管孔隙隨土層加深而增大，而非毛管孔隙減小。

Vi+hiPK2i+PKAC

(2)

2.5 無證書簽名聚合

網(wǎng)關(guān)承擔(dān)聚合器的責(zé)任，將接收到的所有PSUS的競(jìng)價(jià)信息聚合為單個(gè)可驗(yàn)證數(shù)據(jù)，以提高通信效率。在接收(ui,Vi,bi,PK2i,Δi)之后，網(wǎng)關(guān)使用私鑰計(jì)算式(3)，并使用式(4)檢查消息的新鮮度。

Δi⊕hi(sPK2i)=hi‖Tsi⊕h1(r2iδiPKgw)⊕h1(sPK2i)=

hi‖Tsi⊕h1(r2iδisP)⊕h1(sr2iδiP)=

hi‖Tsi

(3)

T-Tsi≤ΔT

(4)

式中：T是數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)間；Tsi是傳輸時(shí)間；ΔT是允許的網(wǎng)絡(luò)延遲。當(dāng)且僅當(dāng)式(4)成立時(shí)，對(duì)n組具有相關(guān)簽名公鑰對(duì){(ui,Vi),PK2i}1≤i≤n的存儲(chǔ)單元{PSU1,PSU2,…,PSUn}，在到時(shí)間T后，網(wǎng)關(guān)按式(5)聚合所有收集的簽名公鑰對(duì)：

(5)

網(wǎng)關(guān)輸出σ=(u,V)作為無證書聚合簽名，輸出(σ,PK2)為競(jìng)價(jià)集合(b1,b2,…,bn)的聚合認(rèn)證數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)將收集的聚合競(jìng)價(jià)和聚合認(rèn)證數(shù)據(jù)提交給UTC。

2.6 批量驗(yàn)證

在收到(σ,PK2)和聚合競(jìng)價(jià)后，UTC檢查一下等式的有效性。當(dāng)且僅當(dāng)式(6)有效時(shí)，UTC接受表示在時(shí)隙T期間由局有身份IDgw的網(wǎng)關(guān)管理的區(qū)域發(fā)送的電量的聚集競(jìng)價(jià)。

uP=V+PK2+PKAC

(6)

式(6)的證明如下：

V+PK2+PKAC

3 設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

本節(jié)證明本文方案支持批量驗(yàn)證、匿名性、不可否認(rèn)性和條件隱私保護(hù)。

1) 批量認(rèn)證。根據(jù)離散對(duì)數(shù)假設(shè)，本文方案在DLP的難解情況下是語義安全的，網(wǎng)關(guān)可以使用其出價(jià)上的簽名來驗(yàn)證存儲(chǔ)單元的身份。此外，網(wǎng)關(guān)可以使用式(5)將從大量存儲(chǔ)單元接收到的競(jìng)價(jià)上的所有簽名聚合為單個(gè)可驗(yàn)證數(shù)據(jù)，并且UTC使用P=V+PK2+PKAC執(zhí)行驗(yàn)證。因此本文方案可以提供批量驗(yàn)證。

2) 匿名性。在所提出的方案中，具有身份IDi的PSU的真實(shí)身份受到假名PIDi=h0(x,IDi,ti)⊕RIDi的保護(hù)。因?yàn)閤、RIDi、ti為秘密值和h0的單向?qū)傩?，攻擊者無法獲得真正的身份IDi。因此，本文方案可以實(shí)現(xiàn)匿名性。

4) 不可否認(rèn)性。AC可以在消息上鏈接PSU的身份。因此，任何存儲(chǔ)單位都不能否認(rèn)向公用事業(yè)公司提交競(jìng)價(jià)。AC可以使用相應(yīng)的公鑰執(zhí)行簽名驗(yàn)證，然后執(zhí)行條件可追溯性。

4 實(shí) 驗(yàn)

圖2和圖3給出了本文方案與文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[14]方案的聚合驗(yàn)證和聚合階段開銷，這三種方案均是基于ECC設(shè)計(jì)的。本文將簽名聚合和聚合驗(yàn)證的組合作為聚合。

圖2 聚合驗(yàn)證的計(jì)算成本比較

圖3 聚合的計(jì)算成本比較

可以看出，計(jì)算成本隨著參與者數(shù)量的增加而線性增加。文獻(xiàn)[12]方案和文獻(xiàn)[14]方案的計(jì)算成本較大，本文CL-AS算法的計(jì)算成本低于其他兩種方案。這是因?yàn)楸疚姆桨傅木酆向?yàn)證只需要一次標(biāo)量乘法和兩點(diǎn)加法運(yùn)算。

圖4給出了本文方案與文獻(xiàn)[12]及文獻(xiàn)[14]方案的驗(yàn)證延遲之比?？梢钥闯霎?dāng)參與者超過80時(shí)，本文方案與文獻(xiàn)[12]方案的驗(yàn)證延遲比接近0.97，與文獻(xiàn)[14]方案的驗(yàn)證延遲比率接近0.34，即本文算法在驗(yàn)證開銷方面具有最優(yōu)的性能。

圖4 驗(yàn)證延遲比與參與者數(shù)量的關(guān)系

圖5給出了各方案通信成本與參與者數(shù)量的關(guān)系?？梢钥闯鐾ㄐ砰_銷隨著參與者數(shù)量的增加而增加，本文方案與其他兩種方案相比具有較低的斜率，因此本文方案降低了通信開銷。

圖5 通信開銷與參與者數(shù)量的關(guān)系

圖6給出了各方案總簽名成本與參與者數(shù)量的關(guān)系?？梢钥闯?，本文聚合簽名的大小為60位，不依賴與參與者的數(shù)量。這是因?yàn)楸疚姆桨傅呐框?yàn)證只需要執(zhí)行兩個(gè)標(biāo)量乘法運(yùn)算，而不需考慮要驗(yàn)證的簽名數(shù)。因此與文獻(xiàn)[12]及文獻(xiàn)[14]方案相比，本文方案在效率和安全性方面更優(yōu)。

圖6 簽名總數(shù)與參與者人數(shù)的關(guān)系

5 結(jié) 語

為了在保證5G車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匿名性和安全性的基礎(chǔ)上降低其計(jì)算開銷和通信開銷，本文基于超高效無證書聚合簽名(CL-AS)算法，提出了一種適用于5G車載網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)匿名批量驗(yàn)證方法。該方案支持批量驗(yàn)證、匿名性、不可否認(rèn)性和條件隱私保護(hù)，在不損害參與者隱私的情況下，以匿名的方式實(shí)現(xiàn)了所有注入競(jìng)價(jià)的批量可驗(yàn)證認(rèn)證。本文基于橢圓曲線密碼體制設(shè)計(jì)超高效的CL-AS算法，引入批量驗(yàn)證方法來加快驗(yàn)證速度和提高效率，驗(yàn)證者僅需要執(zhí)行兩個(gè)標(biāo)量乘法運(yùn)算，而不需考慮要驗(yàn)證的簽名數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明本文方案在計(jì)算開銷和通信開銷方面性能均優(yōu)于現(xiàn)有方法。上述分析表明，本文方案可以同時(shí)提供大規(guī)模電力競(jìng)價(jià)的隱私保護(hù)和批量認(rèn)證，適合電力注入系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。