摘要：隨著汽車制造業(yè)的高速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們開(kāi)始將信息技術(shù)應(yīng)用于交通管理、城市出行服務(wù)、道路規(guī)劃等各個(gè)方面，車聯(lián)網(wǎng)逐步走進(jìn)人們的生活。車聯(lián)網(wǎng)采用信息技術(shù)手段解決道路交通發(fā)展中的各種瓶頸，提高城市交通的運(yùn)行效率和人們的出行質(zhì)量。車聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)線傳感器每時(shí)每刻都要采集行車周圍的信息，并將數(shù)據(jù)傳送至智慧交通云平臺(tái)處理。文章在標(biāo)準(zhǔn)模型下設(shè)計(jì)的同態(tài)聚合簽名方案，可安全快速驗(yàn)證車聯(lián)網(wǎng)中傳感器采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性。該簽名方案在安全性方面可以達(dá)到適應(yīng)性選擇數(shù)據(jù)集下的存在性不可偽造，同時(shí)可以抵抗不同聚合者之間的合謀攻擊。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，該同態(tài)聚合簽名方案在驗(yàn)證車聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)中數(shù)據(jù)的真實(shí)性、完整性有很高的效率。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)模型；同態(tài)聚合簽名；智慧交通；車聯(lián)網(wǎng)；密碼學(xué)

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展和信息化社會(huì)的到來(lái)，智慧城市已成為今后城市規(guī)劃的新方向。智慧城市以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，在大數(shù)據(jù)云計(jì)算的幫助下，對(duì)城市中各個(gè)核心系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行感測(cè)、分析、整合和利用，實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)部各資源和諧搭配、運(yùn)作便捷，使物與物、物與人、物與城市和諧發(fā)展。車聯(lián)網(wǎng)（Internet of Vehicles，IoV）為智慧城市的部署實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，在智慧城市中扮演著至關(guān)重要的角色。在5G通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算網(wǎng)絡(luò)以及汽車產(chǎn)業(yè)的快速推動(dòng)下，車聯(lián)網(wǎng)正逐步把人、車、路、城市融為一體。車聯(lián)網(wǎng)利用無(wú)線傳感技術(shù)感知車輛的狀態(tài)信息，通過(guò)車載終端設(shè)備將采集的各項(xiàng)信息傳輸?shù)街腔劢煌ㄔ品?wù)平臺(tái)，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)對(duì)收集的信息進(jìn)行智能分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通智能化的管理、道路信息的智能決策服務(wù)以及車輛智能化的控制。車聯(lián)網(wǎng)可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控、導(dǎo)航、診斷等方式，預(yù)防交通事故的發(fā)生，為車與車之間的間距提供保障，并通過(guò)與其他車輛和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信，提高交通道路通行效率。作為一項(xiàng)新興技術(shù)，車聯(lián)網(wǎng)目前還面臨著許多安全問(wèn)題，已有很多學(xué)者在車聯(lián)網(wǎng)的安全防護(hù)方面做出了相關(guān)研究：底曉強(qiáng)等^［1］基于車聯(lián)網(wǎng)的“云-管-端”三層體系架構(gòu)，統(tǒng)計(jì)分析國(guó)內(nèi)外車聯(lián)網(wǎng)的安全標(biāo)準(zhǔn)和政策文件，總結(jié)了車聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)的安全需求，闡述當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的趨勢(shì)和建設(shè)建議。劉振亞等^［2］結(jié)合ECQV隱式證書和Schnorr簽名，提出了一種基于車聯(lián)網(wǎng)證書服務(wù)體系，支持車聯(lián)網(wǎng)中傳輸?shù)腂SM（基本安全消息）簽名的聚合方案，可實(shí)現(xiàn)聚合驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明能夠顯著減小系統(tǒng)中簽名驗(yàn)證的計(jì)算消耗。劉媛妮等^［3］基于區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)車聯(lián)網(wǎng)安全研究進(jìn)行了匯總，剖析了現(xiàn)有車聯(lián)網(wǎng)的安全威脅和防護(hù)手段，從通信安全、數(shù)據(jù)安全和應(yīng)用安全3個(gè)角度闡述了當(dāng)前基于區(qū)塊鏈車聯(lián)網(wǎng)的安全體系架構(gòu)。張相雨等^［4］分析了當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)對(duì)措施，使用了基于證書和密鑰管理服務(wù)的方法，從升級(jí)包的構(gòu)建、存儲(chǔ)、下載以及安全驗(yàn)證等各環(huán)節(jié)進(jìn)行安全論述，并在預(yù)產(chǎn)車型上進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該方法可有效提升車聯(lián)網(wǎng)升級(jí)包中各環(huán)節(jié)消息數(shù)據(jù)的真實(shí)性和機(jī)密性保護(hù)。

本文以同態(tài)聚合簽名為研究對(duì)象，圍繞車聯(lián)網(wǎng)中采集信息的真實(shí)性、完整性的安全快速驗(yàn)證展開(kāi)研究，在標(biāo)準(zhǔn)模型下設(shè)計(jì)了一種適用于車聯(lián)網(wǎng)中消息數(shù)據(jù)真實(shí)性、完整性驗(yàn)證的同態(tài)聚合簽名方案。Raya等^［5］指出車聯(lián)網(wǎng)云端系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)，會(huì)收到大量由車聯(lián)網(wǎng)廣播的基本安全消息（Basic Safety Message， BSM），且這些信息真實(shí)性、完整性的驗(yàn)證延時(shí)需控制在ms級(jí)內(nèi)。同態(tài)簽名是一種特殊性質(zhì)的數(shù)字簽名，它允許在同一數(shù)據(jù)集中的若干消息數(shù)據(jù)組合的簽名可由這些消息數(shù)據(jù)簽名的組合導(dǎo)出。而聚合簽名可將不同用戶、不同數(shù)據(jù)集中的消息數(shù)據(jù)進(jìn)一步聚合壓縮，以減少簽名驗(yàn)證時(shí)的代價(jià)，提高驗(yàn)證速率。

可證安全理論是論證密碼學(xué)簽名方案安全性的重要方法，其思想是將設(shè)計(jì)的簽名方案安全性規(guī)約到某種困難的數(shù)學(xué)問(wèn)題上。常用的計(jì)算復(fù)雜性安全模型有2種^［6］：隨機(jī)諭言模型和標(biāo)準(zhǔn)模型。在隨機(jī)諭言模型中，簽名算法中的哈希函數(shù)一般被當(dāng)做挑戰(zhàn)者控制的對(duì)象，當(dāng)攻擊者進(jìn)行哈希詢問(wèn)時(shí)，該哈希函數(shù)將給出一個(gè)隨機(jī)諭言返回值，針對(duì)攻擊者的每一個(gè)新的詢問(wèn)，都將得到一個(gè)隨機(jī)回答。但是在正常簽名方案中的哈希函數(shù)輸出的結(jié)果往往是特定具體的，理想的、完全隨機(jī)的哈希函數(shù)并不存在。所以在隨機(jī)諭言模型下證明的密碼學(xué)方案往往過(guò)于理想化，不符合現(xiàn)實(shí)情況。同時(shí)，已有文獻(xiàn)表明，隨機(jī)諭言模型證明安全的方案在真實(shí)情況下是不安全的^［7］。針對(duì)隨機(jī)諭言模型的這一缺點(diǎn)，人們又提出了標(biāo)準(zhǔn)模型。在標(biāo)準(zhǔn)模型下密碼學(xué)方案安全性論證不需要理想化的隨機(jī)諭言器，因此在標(biāo)準(zhǔn)模型下論證的簽名方案，可清楚地說(shuō)明只有攻破簽名方案所基于的數(shù)學(xué)困難問(wèn)題，才能夠攻破對(duì)應(yīng)的簽名方案，這將使相應(yīng)密碼學(xué)簽名方案的安全性得到更充分的保障，安全論證過(guò)程更加嚴(yán)謹(jǐn)^［8］。

1 車聯(lián)網(wǎng)中標(biāo)準(zhǔn)模型下基于身份同態(tài)聚合簽名方案的設(shè)計(jì)

車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)采集層構(gòu)成。其中應(yīng)用層是車聯(lián)網(wǎng)的最高層，一般由車聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)充當(dāng)，可以為聯(lián)網(wǎng)用戶提供各種車輛行駛業(yè)務(wù)，包括為用戶提供各種通信導(dǎo)航、定位監(jiān)控等智能服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層一般由路測(cè)全域感測(cè)系統(tǒng)組成，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總、加工和傳輸，形成車與車之間的各種關(guān)系，為用戶群提供高效、準(zhǔn)確、及時(shí)的數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)采集層由用戶車輛中各種車載傳感器組成，采集車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)（例如車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車內(nèi)溫度）、道路環(huán)境參數(shù)（例如方向、位置、里程）以及回傳預(yù)測(cè)參數(shù)等。數(shù)據(jù)采集層采集的數(shù)據(jù)會(huì)上傳到車聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行分析處理，進(jìn)一步得到用戶所需要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并傳送給用戶，為車聯(lián)網(wǎng)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。車聯(lián)網(wǎng)在部署時(shí)主要由以下3實(shí)體構(gòu)成：車聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)、路測(cè)全域感測(cè)系統(tǒng)以及每輛車的車載系統(tǒng)，如圖1所示。

由于在車聯(lián)網(wǎng)中要傳輸大量傳感器采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)還需確保采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性。若采用對(duì)逐條數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)簽的方法，其效率低下，在車聯(lián)網(wǎng)中既平凡也不實(shí)用。為了提高車聯(lián)網(wǎng)中采集數(shù)據(jù)在驗(yàn)證真實(shí)性、完整性時(shí)的效率，本文在高安全性的標(biāo)準(zhǔn)模型下設(shè)計(jì)了可進(jìn)行數(shù)據(jù)快速驗(yàn)簽的基于身份同態(tài)聚合簽名。具體而言，在車聯(lián)網(wǎng)中，可將每個(gè)車輛中車載系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，以一段時(shí)間間隔作為一個(gè)數(shù)據(jù)集的標(biāo)識(shí)信息。同態(tài)簽名允許將同一數(shù)據(jù)集中的若干數(shù)據(jù)的簽名直接通過(guò)同態(tài)運(yùn)算得出對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)組合的簽名，因此把一段時(shí)間作為一個(gè)數(shù)據(jù)集，在這段時(shí)間內(nèi)車載系統(tǒng)各傳感器采集的數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的簽名使用同態(tài)運(yùn)算進(jìn)行組合壓縮，這樣可有效減少簽名驗(yàn)簽時(shí)的數(shù)量。而對(duì)于不同車輛用戶，即不同數(shù)據(jù)集之間簽名的批量驗(yàn)證，可采用簽名聚合的方式。聚合簽名在使用時(shí)主要包括以下3類參與者：簽名者、聚合者和驗(yàn)證者。聚合者可由車聯(lián)網(wǎng)中路測(cè)全域感測(cè)系統(tǒng)充當(dāng)，運(yùn)行時(shí)將各簽名者（用戶車輛）產(chǎn)生的數(shù)據(jù)簽名對(duì)作為輸入，使用聚合算法進(jìn)行壓縮，最后輸出聚合后的簽名。驗(yàn)證者（由車聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)擔(dān)當(dāng)）只需驗(yàn)證最終聚合簽名的真?zhèn)?，即能確認(rèn)簽名者各自產(chǎn)生的單個(gè)數(shù)據(jù)簽名正確性。因此，同態(tài)聚合簽名不但可有效節(jié)約車載系統(tǒng)中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信帶寬的需求，還可以有效降低車聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)驗(yàn)證各用戶數(shù)據(jù)簽名所需的計(jì)算代價(jià)以及降低車聯(lián)網(wǎng)云存儲(chǔ)中存放多個(gè)簽名所需的存儲(chǔ)代價(jià)。車聯(lián)網(wǎng)中同態(tài)聚合簽名系統(tǒng)部署具體如下。

1.1 系統(tǒng)初始化建立算法

4 同態(tài)聚合簽名方案性能實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)模型下基于身份的同態(tài)聚合簽名方案在JPBC庫(kù)中進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)中選取的每個(gè)數(shù)據(jù)塊大小為0.1 MB，分別使用本文提出的同態(tài)聚合簽名方案和Kenneth等^［9］研究中Paterson設(shè)計(jì)的簽名方案，對(duì)50個(gè)數(shù)據(jù)塊、100個(gè)數(shù)據(jù)塊、150個(gè)數(shù)據(jù)塊、200個(gè)數(shù)據(jù)塊、250個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行數(shù)據(jù)簽名的驗(yàn)簽實(shí)驗(yàn)，并將驗(yàn)證過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2個(gè)簽名方案的比較結(jié)果如圖2所示。

從上述模擬仿真實(shí)驗(yàn)中，可以看出本文設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)模型下基于身份的同態(tài)聚合簽名方案相對(duì)于其他的簽名方案^［9］，同態(tài)聚合簽名方案在海量數(shù)據(jù)批量驗(yàn)證時(shí)擁有更高的效率。分析其原因，主要是因?yàn)槭褂猛瑧B(tài)壓縮算法可以將相同數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，而聚合算法可以將不同數(shù)據(jù)集之間的同態(tài)簽名進(jìn)行壓縮，因此只需驗(yàn)證同態(tài)聚合后簽名的合法性，即可判斷海量數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性。

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（編輯 沈 強(qiáng)編輯）

Research on the application of homomorphic aggregation signature scheme for Internet of Vehicles in the standard model

Mao" Lei

（Institute of information technology，Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，

Xuzhou 221116， China）

Abstract：With the rapid development of automobile manufacturing industry and the wide application of new generation information technology such as Internet of Things， cloud computing and mobile Internet， people begin to apply information technology to traffic management， urban travel services， road planning and other aspects， and the Internet of Vehicles gradually enters people’s lives. The Internet of Vehicles uses information technology to solve various bottlenecks in road traffic development， improve the operational efficiency of urban transportation， and enhance the quality of people’s travel. Wireless sensors in the Internet of Vehicles （IoV） constantly collect information about the surroundings of vehicles and transmit the data to the intelligent transportation cloud platform for processing. The homomorphic aggregation signature scheme designed under the standard model in this article can securely and quickly verify the authenticity and integrity of data collected by sensors in the vehicular network. This signature scheme can achieve non falsifiability of existence in adaptive selection datasets in terms of security， while also resisting collusion attacks between different aggregators. Simulation experiments have shown that the homomorphic aggregation signature scheme has high efficiency in verifying the authenticity and integrity of data in the vehicle networking cloud service platform.

Key words：standard model; homomorphic aggregation signature; smart transportation; internet of vehicles; cryptography