基于消息池的車聯(lián)網(wǎng)信息安全高效認(rèn)證算法

李 楠

（福州軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件工程系，福建 福州350003）

車聯(lián)網(wǎng)是新興的移動自組織網(wǎng)絡(luò)，它是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通領(lǐng)域的一大應(yīng)用研究，旨在通過信息的傳遞，對車輛進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)道路交通的智能化管理。網(wǎng)絡(luò)中的車輛、道路、行人，在無線或有線網(wǎng)絡(luò)中，按照特定的通信協(xié)議進(jìn)行安全信息交換［1］，使得行駛安全得以提升，交通擁堵情況得以緩解。車聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)每隔一段時間就會向周邊節(jié)點(diǎn)發(fā)送車輛具體位置、行駛速度、行駛方向等車輛自身狀態(tài)信息，周邊節(jié)點(diǎn)車輛通過接收到的信息，就可以輔助駕駛員對路況做出預(yù)判，從而通過及時調(diào)整車輛行駛狀態(tài)，排除安全隱患，通過調(diào)整車輛行駛路線，選擇最優(yōu)行駛線路，優(yōu)化了道路使用情況。由此，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用將來必然會在提高人們出行效率和確保行車安全方面做出巨大貢獻(xiàn)，正因如此，越來越多專家學(xué)者致力于突破車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的各個技術(shù)難題，可以說它是未來交通發(fā)展的方向。同時，在車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的各類探索中，如何確保信息的安全又是一個至關(guān)重要的技術(shù)焦點(diǎn)。

1 車聯(lián)網(wǎng)面臨的關(guān)鍵問題

1.1 信息安全問題

車聯(lián)網(wǎng)面臨的一大不容忽視的問題，就是信息安全。車聯(lián)網(wǎng)的通信基礎(chǔ)主要是無線網(wǎng)，這種通信媒介又恰恰受到攻擊者的“青睞”。一旦攻擊者入侵之后，就可以通過對信息的攔截、篡改、重放、刪除等手段，使車聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全受到嚴(yán)重威脅。比如，攻擊者可以通過攔截竊取到車輛位置、車主身份、車主喜好等隱私數(shù)據(jù)；攻擊者可以通過修改真實(shí)消息，誤導(dǎo)交通；攻擊者還可以通過偽造合法身份，發(fā)送虛假消息，擾亂正常交通秩序。如果攻擊者通過虛假身份發(fā)送偽造的信息［2］，刪除傳輸中的安全信息，或者截取并惡意修改信息，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)收到經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳播的被攻擊的虛假消息，有可能做出錯誤的行為決策，降低消息的可信度，干擾正常的交通秩序，甚至影響到人們的出行安全。

1.2 消息時延問題

基于車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，大量的消息、復(fù)雜的認(rèn)證計(jì)算過程，會造成消息在時間上的滯后，這是當(dāng)下車聯(lián)網(wǎng)消息認(rèn)證方案普遍存在的痛點(diǎn)，也是關(guān)鍵研究點(diǎn)。短距離無線通信協(xié)議DSRC規(guī)定，節(jié)點(diǎn)廣播一條信息的時間間距大約是200 ms。假設(shè)在有效通信范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)中至少存在100個車輛節(jié)點(diǎn)，則單個節(jié)點(diǎn)每隔1 s將收到至少500條消息。而且，節(jié)點(diǎn)收到的消息數(shù)量還會隨著車輛密度的增大而增加。當(dāng)車輛硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力無法及時處理車輛接收的大量數(shù)據(jù)，就會造成消息滯后，因消息的超時響應(yīng)導(dǎo)致消息的有效利用率大大降低。所以，如何提高簽名認(rèn)證算法的效率，使車輛節(jié)點(diǎn)盡快解析消息，是很多學(xué)者在研究的課題。

2 基于消息池的安全高效認(rèn)證算法

車聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)就是在車輛節(jié)點(diǎn)之間高效、準(zhǔn)確、安全地傳遞信息。就消息通信安全性來說，普遍通過消息簽名與認(rèn)證的方法來保障。同時，基于車輛網(wǎng)中龐大的通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量和硬件通信設(shè)備有限的處理能力，消息處理帶來的時間延遲不容忽視［3］。而車輛的移動性和車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景，又對消息的實(shí)時性提出很高的要求。對于節(jié)點(diǎn)而言，滯后的消息即是無用的消息。本文提出一種新型高效的簽名認(rèn)證算法——基于消息池的安全認(rèn)證算法，旨在提高系統(tǒng)的簽名認(rèn)證速率，減少時延。

2.1 系統(tǒng)模型與假設(shè)

車聯(lián)網(wǎng)通信模型通常由車輛、RSU和TA三部分節(jié)點(diǎn)組成，其中，RSU代表分布在道路旁的通信裝置，TA代表擁有強(qiáng)大計(jì)算和通信能力的可信權(quán)威機(jī)構(gòu)。表1列出了算法中的主要符號及其含義。

表3.1 符號及其定義

在車聯(lián)網(wǎng)模型M中假設(shè)有n個車輛節(jié)點(diǎn)，表示為V＝｛v_i，i∈｛1，2，…，n｝｝，其中v_i代表M中的車輛節(jié)點(diǎn)。同時，假設(shè)在車聯(lián)網(wǎng)中的所有車輛已經(jīng)安裝好兩個硬件設(shè)備：一個是OBU，用于通信，它負(fù)責(zé)發(fā)送消息和接收消息；另一個是TPD，用于存儲及處理數(shù)據(jù)，防止信息被篡改。TA是可信權(quán)威機(jī)構(gòu)，在M中假設(shè)有一個TA，負(fù)責(zé)為M中的所有車輛節(jié)點(diǎn)注冊合法身份，給通信設(shè)備必要參數(shù)的初始化配置，同時輔助節(jié)點(diǎn)對信息簽名認(rèn)證。為了驗(yàn)證消息的合法有效，必須實(shí)現(xiàn)消息的可溯源，TA會為每個車輛節(jié)點(diǎn)生成一個唯一的身份標(biāo)識碼RID和一組初始化參數(shù)，這些數(shù)據(jù)將被保存在車輛節(jié)點(diǎn)的防篡改設(shè)備里。TPD也被默認(rèn)為可靠和安全的設(shè)備。RSU則通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)，在TA和車輛節(jié)點(diǎn)間傳遞信息。RSU的通信范圍與數(shù)據(jù)數(shù)理能力較強(qiáng)，它負(fù)責(zé)收集各方車輛發(fā)來的消息，提交給交通管理部門作為臨時管制和信號燈設(shè)置等交通管理決策的數(shù)據(jù)依據(jù)。

在車聯(lián)網(wǎng)中，車與RSU承擔(dān)消息發(fā)送者和消息接收者雙重角色。消息發(fā)送者要先對消息進(jìn)行數(shù)字簽名，然后發(fā)送消息；消息接收者則在接收消息后，認(rèn)證消息。把消息發(fā)送者標(biāo)記為SV，消息接收者標(biāo)記為NV。用mmid=｛bmid，SVRID，tmid｝標(biāo)識一條消息元素構(gòu)成，其中，bmid表示主體消息，SVRID表示消息來源節(jié)點(diǎn)的身份編號，tmid表示此信息的有效時限。多條消息在節(jié)點(diǎn)中以隊(duì)列的結(jié)構(gòu)存儲，按照消息到達(dá)節(jié)點(diǎn)的先后順序，新消息永遠(yuǎn)放在隊(duì)首，則隊(duì)尾存放的是到達(dá)時間最久且最快被NV處理的消息。根據(jù)tmid消息在隊(duì)列中的到期時間，一旦消息在隊(duì)列里停留超時，我們就對消息作失效處理，丟棄消息。

2.2 具體算法描述

2.2.1 消息簽名與認(rèn)證的流程

消息發(fā)送者SV先用私鑰加密準(zhǔn)備發(fā)送的消息mmid，生成數(shù)字簽名Smid。接著，消息mmid和對應(yīng)的簽名Smid—同被SV廣播給M內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)。得到消息mmid的節(jié)點(diǎn)NV先用網(wǎng)絡(luò)公布的公鑰和對應(yīng)的認(rèn)證算法對Smid進(jìn)行解析，判斷接收到的消息在傳輸?shù)倪^程中是否遭受過篡改等攻擊，以確保消息的真實(shí)性、完整性和有效性。如果認(rèn)證通過，則消息mmid則被認(rèn)為是有效的，并進(jìn)一步分析應(yīng)用，否則該消息將會被作無效處理。

橢圓曲線算法ECC與經(jīng)典的RSA算法相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：安全性高、計(jì)算量小、占用存儲空間少、低網(wǎng)絡(luò)帶寬，本文介紹的算法也是基于ECC的。

2.2.2 算法設(shè)計(jì)依據(jù)

車聯(lián)網(wǎng)中傳播的信息分為三類：控制信息、常規(guī)信息和事故信息。其中，常規(guī)信息占比最大，通常車輛節(jié)點(diǎn)每隔固定時長就把自己的行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)廣播一次，包括車輛所處位置、行進(jìn)速度、行進(jìn)方向等。顯而易見，同一路段，特別是擁擠路段，相同方向車輛的行駛速度相同的幾率很大。一旦車輛節(jié)點(diǎn)發(fā)生事故，就會生成事故信息對外廣播，附近車輛節(jié)點(diǎn)如果收到該事故信息，就能夠提前避開事故路段，選擇其他更優(yōu)的路段通行。據(jù)交通部門統(tǒng)計(jì)，兩車刮擦、兩車或多車追尾，是事故中最為常見的情況。這就會造成多個車輛節(jié)點(diǎn)在相近時間內(nèi)發(fā)送相同的事故消息的情況。綜上所述，一個消息接收者在短時間內(nèi)收到不同發(fā)送者發(fā)送的相同路況消息的概率極高。

本文設(shè)計(jì)的算法思想就是在接收者節(jié)點(diǎn)設(shè)置消息池，消息池中的消息根據(jù)到期時間形成隊(duì)列。當(dāng)接收者接收一條消息時，先將消息與消息池中的消息比對（不比對消息發(fā)送者、到期時間等附加信息），若接收到的新消息已經(jīng)存在消息池，就跳過認(rèn)證步驟，認(rèn)為其為可信消息，將新消息中的到期時間更新到消息池中的原有消息中；若接收到的新消息在消息池中不存在，則進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證通過，將該消息加入到消息池。當(dāng)消息池容量滿時，根據(jù)到期時間，清除消息隊(duì)列中已經(jīng)到期或即將到期的消息內(nèi)容。

2.2.3 具體算法設(shè)計(jì)

認(rèn)證算法主要包含以下幾個部分：

（1）初始化系統(tǒng)。由權(quán)威機(jī)構(gòu)TA生成系統(tǒng)參數(shù)：

1）TA在有限數(shù)據(jù)集Fp上，借助大素?cái)?shù)p，構(gòu)造出一個非奇異的橢圓曲線E，表示為

E：y2=x3+ax+b（mod p），a，b∈Fp。

2）TA從集合G中選取一個q階生成元P，G是一個涵蓋了E上任意點(diǎn)和無限遠(yuǎn)點(diǎn)O的加法群，P≠O。P是生成公鑰和私鑰的關(guān)鍵。

3）TA選取一個隨機(jī)數(shù)s作為認(rèn)證算法的主密鑰，s∈z*，并計(jì)算出公鑰Ppub=s×P，這個公鑰對車聯(lián)網(wǎng)M中的全部節(jié)點(diǎn)和中心服務(wù)器RSU公開。

4）TA選取三個單向的哈希函數(shù)，分別表示為

H1：G→Zq，H2：G→Zq，H3：｛0，1｝*×｛0，1｝*×G｛0，1｝*→Zq。

經(jīng)過以上系統(tǒng)初始化過程后，TA會產(chǎn)生一系列的系統(tǒng)參數(shù)，表示為params=｛p，g，a，b，P，Ppub，H1，H2，H3｝。在車輛向TA申請合法身份的同時，TA就把這個參數(shù)集合一并發(fā)給車輛，存儲到車輛的防篡改設(shè)備TPD中，在驗(yàn)證消息完整性時使用。車聯(lián)網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)參數(shù)是相同的。

（2）注冊節(jié)點(diǎn)。注冊節(jié)點(diǎn)指的是每個節(jié)點(diǎn)要主動向TA申請一個合法且唯一不可抵賴的身份編號，以及系統(tǒng)初始化產(chǎn)生的系統(tǒng)參數(shù)。為了使車聯(lián)網(wǎng)中的消息都可以溯源，也確保車輛節(jié)點(diǎn)在車聯(lián)網(wǎng)中正常收發(fā)消息，加入到該網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)都需要完成節(jié)點(diǎn)注冊。在這個環(huán)節(jié)中，TA按一定規(guī)則為某節(jié)點(diǎn)生成身份標(biāo)識RID以及配套的密碼PAD、系統(tǒng)初始化參數(shù)集合params和認(rèn)證算法的主密鑰s，全部存儲在節(jié)點(diǎn)的TPD里面。一個節(jié)點(diǎn)一旦完成注冊，它所發(fā)送的消息才是可溯源的，也才擁有發(fā)送消息的資格。

（3）生成密鑰及匿名身份。消息簽名所使用的重要參數(shù)就是密鑰及節(jié)點(diǎn)的身份ID［4］，如果使用節(jié)點(diǎn)的真實(shí)身份ID作為參數(shù)對消息進(jìn)行簽名，結(jié)合所傳遞的車輛狀態(tài)信息，使節(jié)點(diǎn)的行車路線、行車習(xí)慣等容易受到竊取、追蹤等攻擊，也增加了車主的安全隱患?；谶@一隱私保護(hù)的考慮，所以使用的是匿名身份進(jìn)行消息簽名，而非使用真實(shí)身份。同時，作為防篡改設(shè)備，充分信任每個節(jié)點(diǎn)安裝的TPD是安全可靠的。基于TPD的安全性能這一前提，TPD才能負(fù)責(zé)生成私鑰這一關(guān)鍵工作。防篡改設(shè)備TPD會選擇一個隨機(jī)數(shù)，以及車輛的真實(shí)身份RID計(jì)算得出車輛的匿名身份ID。通過下面公式，得出車的匿名身份AID

由式（1）即得到車的匿名身份ID，寫成AID=｛AID1，AID2｝。然后，PKG結(jié)合車vRID的匿名身份AID與共享的主密鑰s，通過以下公式計(jì)算得出vRID的私鑰數(shù)據(jù)

（4）生成消息簽名。消息簽名是指消息發(fā)送者將消息使用上一步生成的私鑰，采用橢圓曲線簽名算法進(jìn)行加密后發(fā)送，為后續(xù)接收者驗(yàn)證消息的完整性，也確保了消息發(fā)送者的不可抵賴性?？紤]到消息的安全性，要求車聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送消息前必須先對消息進(jìn)行簽名，未經(jīng)簽名的消息是不會被接收者采信的。用S_mid來表示消息b_mid的數(shù)字簽名，計(jì)算公式為

其中，λi=ri×P，vi∈zq*是一個隨機(jī)數(shù)。車vRID對消息進(jìn)行數(shù)字簽名處理完，就可以將消息以廣播的形式發(fā)送車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)各個節(jié)點(diǎn)，將該消息表示為

（5）消息池過濾。消息池過濾的作用是，考慮到車輛的移動性和路況的實(shí)時變化，通過篩選淘汰需要認(rèn)證的消息數(shù)量來節(jié)省時間，從而提高消息的時效性。在驗(yàn)證消息完整性前，節(jié)點(diǎn)先將tmid與當(dāng)前時間作比較，判斷消息是否在有效期內(nèi)。若系統(tǒng)當(dāng)前時間超過tmid，表示該消息已過期，則丟棄該消息。接著判斷消息是否在消息池中，如果在，就跳過認(rèn)證步驟，認(rèn)為其為可信消息，同時用當(dāng)前所驗(yàn)證的新消息的到期時間tmid替換到消息池中原有消息的tmid字段，并將消息移至消息池中消息隊(duì)列隊(duì)首，從而確保隊(duì)尾永遠(yuǎn)是時效性最差的消息，若消息池滿，則淘汰處于隊(duì)列隊(duì)尾的消息；若接收到的新消息bmid在消息池中不存在，則進(jìn)行認(rèn)證步驟。

（6）消息認(rèn)證。該步驟是指消息接收者使用共享公鑰驗(yàn)證所收到的消息的可靠性，既驗(yàn)證消息完整性和消息發(fā)送者的真實(shí)合法身份，也能解決偽造、篡改、否認(rèn)等問題［5］。給定一個接收到的消息mmid=｛bmid，AID，tmid，λi，Smid｝，節(jié)點(diǎn)（車或RSU）將使用已有的系統(tǒng)參數(shù)params=｛p，g，a，b，P，Ppub，H1，H2，H3｝通過認(rèn)證算法對該消息進(jìn)行認(rèn)證。使用下面公式來認(rèn)證消息

如果式（4）成立，則表示消息是真實(shí)完整的，將消息加入消息池隊(duì)列隊(duì)首，否則丟棄該消息。在上述（2）節(jié)點(diǎn)注冊階段，每個節(jié)點(diǎn)都被分配了系統(tǒng)參數(shù)集合params，并且λi=ri×P，Ppub=s×P，AID1=δ1×P。網(wǎng)絡(luò)中的每個合法用戶都可以根據(jù)已知參數(shù)結(jié)合認(rèn)證算法驗(yàn)證所接收到的消息。

3 算法分析與總結(jié)

基于消息是通過網(wǎng)絡(luò)傳播這一特性，消息所要應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)攻擊與威脅的挑戰(zhàn)越發(fā)嚴(yán)峻。節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的消息難免要遭遇到各式各樣的網(wǎng)絡(luò)攻擊。而消息的安全傳輸是消息有效性的保障，是一切基于消息的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究的大前提。消息簽名與認(rèn)證算法都是基于ECDSA（橢圓曲線數(shù)字簽名認(rèn)證）實(shí)現(xiàn)的，該算法的安全性已被大量專家學(xué)者論證。目前數(shù)學(xué)家們認(rèn)為，對于大素?cái)?shù)來說是幾乎不可能計(jì)算出離散對數(shù)的，也就是說攻擊者不可能偽造出一個假消息蒙騙接收者。所以，本文方案使消息具有可認(rèn)證性，允許接收者完全能夠使用認(rèn)證算法篩選出真實(shí)、完整、有效的信息。

車聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)密度大，加上節(jié)點(diǎn)收發(fā)消息的時間間隔短，使得車聯(lián)網(wǎng)中單位時間內(nèi)傳播的消息總量非常多。出于消息的時效性考慮，節(jié)點(diǎn)必須迅速檢驗(yàn)篩選大量消息。如果按原有的認(rèn)證方法，節(jié)點(diǎn)只能逐一驗(yàn)證得到的消息，驗(yàn)證速度慢，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)容易錯過許多實(shí)時性強(qiáng)的消息。我們選取時下業(yè)界普遍認(rèn)可的多種簽名認(rèn)證算法［3］和本文提出的簽名認(rèn)證方案，分析了不同簽名認(rèn)證算法在同一時間內(nèi)對多個簽名的認(rèn)證效率。經(jīng)過比較，當(dāng)對n個消息的簽名進(jìn)行認(rèn)證時，本文提出的基于消息池的車聯(lián)網(wǎng)信息認(rèn)證算法的運(yùn)算效率要好于當(dāng)前流行且公認(rèn)的CPAS、IBV算法。我們也做了大量的模擬實(shí)驗(yàn)，使用IBV、CPAS等多種算法同時對若干條簽名進(jìn)行認(rèn)證，本文介紹的算法方案執(zhí)行總時間最少，且消息數(shù)量越多，時間優(yōu)勢就越明顯，因此本文設(shè)計(jì)并提出的算法是安全高效的。