摘  要： 針對車載自組網(wǎng)中存在的隱私泄露問題，提出了一種基于城市公交的車載自組網(wǎng)隱私保護協(xié)議。該協(xié)議利用可信度高的公交車來廣播路況信息和應(yīng)答車輛路況信息的查詢，有效地減少普通車輛需認證消息的數(shù)量；公交車利用安全認證中心頒發(fā)的數(shù)字證書與其他車輛建立起信任關(guān)系，解決了用戶假冒的問題；車輛之間利用Diffie-Hellman算法生成會話密鑰對消息進行對稱加密，有效地保護了用戶的身份信息，同時提高了消息認證的效率。安全性證明和分析表明，該協(xié)議在語義上是安全的，能抵抗現(xiàn)有各種攻擊，并且可以實時處理用戶的請求。

　　關(guān)鍵詞： 車載自組網(wǎng)；公交車；安全；隱私；數(shù)字證書

0 引言

　　車載自組網(wǎng)（Vehicular Ad hoc Network，VANET）由認證中心（Certification Authority，CA）、路邊單元（Road Side Unit，RSU）和車載單元（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的開放性使得攻擊形式多樣化，高度動態(tài)性和移動性使得攻擊行為難以被檢測與發(fā)現(xiàn)。如何在確保信息的完整性和可追溯性的同時，保護用戶的安全隱私，并且實時處理用戶請求成為接納VANET的關(guān)鍵。

　　一般來說，VANET中的車輛需要保護身份不被泄漏，而RSU不需要保護其身份。為了確保合法用戶的身份信息不被攻擊者所知，必須對其身份信息進行加密；為了防止惡意節(jié)點假冒合法用戶，目前各國要求所有車輛必須在管理部門進行登記注冊，管理部門對所有車輛進行統(tǒng)一編號并提供身份認證。VANET中車輛身份編號的唯一性能有效保證身份認證服務(wù)的實施。身份認證可以有效保護系統(tǒng)不被外部攻擊者所侵害，但增加了個人隱私泄漏的風險。有時VANET通過不定期地更換假名來保護用戶隱私。

　　然而VANET不定期更換用戶假名容易引發(fā)女巫攻擊[3]，一個惡意節(jié)點蓄意聲稱自己有多個不同身份的女巫攻擊會對VANET產(chǎn)生巨大危害[4]。針對這些問題，陳辰[4]提出了女巫攻擊檢測算法SADSIV，通過驗證授權(quán)認證單元（Authentication Unit，AU）定期向車輛節(jié)點提供不可篡改的數(shù)字簽名來確定車輛身份的唯一性。由于同一AU對不同車輛的數(shù)字簽名相同，那么惡意節(jié)點可能會根據(jù)AU的數(shù)字簽名追蹤用戶。

　　針對這些問題，王景欣等人[5]構(gòu)建了匿名互換的社團，并通過組密鑰機制實現(xiàn)保證基本安全需求下的匿名互換。同時，參考文獻[6]提出所有車輛節(jié)點必須在CA注冊并且由其分發(fā)車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，認證需要花費大量時間，尤其是在車流密度大的情況下，難以實現(xiàn)實時性。

　　針對參考文獻[5-6]消息的不及時性，劉輝等人[7]提出了一個基于群組密鑰的認證方案。該方案采用批量驗證技術(shù)降低了車輛的計算開銷，成功地解決VANET中消息認證的不及時性。但是該方案不能抵抗重放攻擊。

　　在參考文獻[4-7]中任何車輛都可以廣播消息，那么海量消息可能會阻塞信道，同時需要大量的簽名認證，耗費大量時間和計算能力。因此設(shè)計一個高效的隱私保護協(xié)議迫在眉睫。

　　本文提出一個基于城市公交的VANET隱私保護協(xié)議，能實時處理用戶的請求，同時很好地保護用戶的隱私。協(xié)議僅允許可信性高的公交車廣播消息，有效地減少了消息的數(shù)量，提高了消息的質(zhì)量和認證速度，可以實時處理用戶的請求。利用DH算法產(chǎn)生會話密鑰進行車輛之間的信息交流，最大程度保證用戶身份不被泄露。車輛之間利用對稱密鑰通信，提高了加密的速度，有效地減少了系統(tǒng)的開銷。

1 預(yù)備知識

　　1.1 雙線性對

　　設(shè)G1和G2分別表示階為素數(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)，則稱為雙線性對。（1）雙線性：對任何a，b∈Zq*，e（aP，bP）=e（P，P）ab。（2）非退化性：e（P，P）≠1。（3）可計算性：對所有的P，Q∈G1，都能有效計算e（P，Q）。雙線性對e可以通過有限域上的超橢圓曲線的Tate對或Wail對來構(gòu)造。

　　1.2 Diffie-Hellman問題

　　CDH（Computational Diffie-Hellman）問題：任意（aP，bP），其中a，b∈Zq*，計算abP。BDH（Bilinear Diffie-Hellman）問題：任給（aP，bP，cP），其中a，b，c∈Zq*，計算e（P，P）abc。

　　Diffie-Hellman算法具有兩個吸引力的特征[8]：

　?。?）僅當需要時才生成密鑰，減少了將密鑰存儲很長一段時間而致使遭受攻擊的機會；

　?。?）除對全局參數(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]：

　?。?）沒有提供雙方身份的任何信息；

　?。?）沒辦法防止重放攻擊。

2 協(xié)議提出

　　假設(shè)CA負責車輛登記，有足夠的計算能力和存儲能力，所有的RSU通過有線或無線方式與CA相連。CA完全被各方信任，不可能被攻擊者攻破。所有車輛都通過RSU相互通信。

　　本文提出了一個基于城市公交的VANET隱私保護協(xié)議。根據(jù)可信度將用戶分為兩類：普通車輛和公交車。相對于普通車輛，公交車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類實體，分別是公交車VB、普通車輛VC、CA、RSU。本協(xié)議分為3個階段：注冊階段、公交車與普通車輛認證階段、公交車認證階段。各符號如表1所示。

　　2.1 注冊階段

　　普通車輛和公交車都需要在CA進行統(tǒng)一注冊。CA為注冊的公交車頒發(fā)數(shù)字證書CertuB，不為普通車輛頒發(fā)，然而必須為所有注冊車輛約定全局參數(shù)。由于一個城市的公交車歸為數(shù)不多的公交公司管理，那么可以通過公交公司統(tǒng)一在CA注冊。注冊階段，公交車、公交車公司、CA三者之間的信道是安全的。

　　公交車注冊過程如圖1所示。

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

　?。?）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CertuB，該證書包含其生命周期lifetime和VB的公鑰PukB。將該證書CertuB通過公交公司發(fā)送給VB。

　?。?）VB收到CertuB后，驗證是否正確，若正確，則保存該證書，否則丟棄證書。

　　2.2 公交車與普通車輛的認證階段

　　公交車每過一段時間就廣播其附近路況的消息，普通車輛和其他公交車則接收消息，若普通車輛收到消息后，需要查詢更多消息，則利用DH算法生成會話密鑰進行消息交流，過程如圖2所示。

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

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

　?。?）若普通車輛需要向公交車詢問更多消息，則產(chǎn)生時間戳t2、消息M2，隨機數(shù)a、XA∈Zq*，計算YA∈。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。

　?。?）VB用其私鑰解密得M2‖t2‖YA‖a‖t1，驗證解密所得t1與VB保存的t1是否相同，若不相同，則丟棄M2；否則隨機選擇XB∈Zq*，計算，產(chǎn)生回應(yīng)消息M3和時間戳t3，將Esk（M3‖t3‖Q）、Q發(fā)送給VC。

　?。?）VC收到消息以后，計算sk=，并用sk解密得M3、t3、Q，驗證明文傳遞Q是否與解密所得Q相等。若相等則驗證t3是否過期，若不過期，則保存M3，否則丟棄M3。

　　2.3 公交車之間的認證階段

　　公交車通過相互交流，得到不同路段的信息，公交車之間認證過程如圖3所示。

　?。?）公交車VB1產(chǎn)生時間戳t4，隨機選擇b，XB1∈Zq*，計算YB=。將PukB2（b‖YB‖CertuB1‖PukB1（CertuB1））發(fā)送公交車VB2。

　?。?）VB2收到消息后，利用其私鑰解密消息得：b、YB、t4、CertuB1、PrkB1（CertuB1）。首先驗證t4是否過期，若過期，則丟棄消息；否則利用VB1的公鑰解密得CertuB1，驗證CertuB1Certu*B1，若相等則隨機選擇XB2∈Zq*，計算Q′=   。然后產(chǎn)生消息M4和時間戳t5。將PukB1（Q′‖t5‖CertuB2），Esk′（M4‖t5）發(fā)送給VB1。

　?。?）VB1收到消息后，用其私鑰PrkB1解密消息得：Q′、t5。驗證t5是否過期，若過期，則丟棄消息；否則計算會話密鑰。利用sk′解密得M4、t5，驗證t5t5*，若不相等，則丟棄消息，否則接受M4。

3 協(xié)議分析

　　3.1 安全性證明

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

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

　　證明：假設(shè)敵手（Adversary，A）在任何概率多項式時間t內(nèi)得到消息M3優(yōu)勢為AdvAL（k），那么通過構(gòu)造A與挑戰(zhàn)者交互的游戲，證明A贏得該游戲的優(yōu)勢可以忽略。具體步驟如下。

　　Setup模擬：A重構(gòu)VC與VB的會話密鑰困難是，A需要知道生成會話密鑰的參數(shù)XA。A將竊聽所得消息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}，選取兩個長度一樣的明文m0，m1∈ ，將Esk（mc||t3||Q）發(fā)送給A。A隨機選擇參數(shù)k∈Zq*，計算會話密鑰sk″=Qk，利用sk″解密收到的消息。

　　猜測模擬：A輸出c′∈{0，1}，當且僅當c′=c時，A贏得游戲。A贏得游戲的優(yōu)勢為：

　　AdvAL（k）=|Pr[c′=c]-1/2|（1）

　　消息mc的加密密鑰，解密密鑰sk″=Qk=。當且僅當sk=sk″時，c=c′，A贏得游戲。由于雙線性映射群中CDH是公認數(shù)學難題，A不可能計算出會話密鑰sk，贏得游戲的優(yōu)勢AdvAL（k）可以忽略，即本協(xié)議在語義上安全。

　　3.2 安全性分析

　　經(jīng)分析，該協(xié)議滿足以下安全需求：

　?。?）匿名性

　　本文用戶分為兩種：公交車和普通車輛。公交車利用數(shù)字證書與其他車輛進行相互認證，僅CA知道其身份。普通車輛利用DH算法生成的會話密鑰與公交車進行交流，身份不可能被泄露。故協(xié)議具有用戶匿名性。

　?。?）防重放攻擊

　　本協(xié)議利用時間戳來防重放攻擊。

　?。?）防假冒攻擊

　　公交車用戶利用數(shù)字證書Certu來保護其身份，有效地防止了假冒攻擊。

　　（4）防追蹤攻擊

　　在本協(xié)議中，普通車輛收到公交車廣播的消息后，利用公交車公鑰加密問詢消息，公交車應(yīng)答消息利用DH算法生成的會話密鑰加密，公交車與普通車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。

　?。?）防女巫攻擊

　　本協(xié)議中所有車輛沒有假名，所以不存在女巫攻擊。

　　3.3 性能分析

　　一個有效的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。在本文僅有公交車可以廣播和回應(yīng)車輛的消息查詢，普通車輛僅接收公交車所發(fā)送的消息。普通車輛與方案[5-9]相比需認證的消息數(shù)量要少許多，有效地減少了普通車輛OBU成本，提高了認證速度。雖然在一定程度上需要提高公交車OBU的計算能力和存儲能力，但公交車的數(shù)量與普通車輛相比數(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2 900多輛，而2013年整個城市擁有普通車輛（僅指個人轎車）高達40萬輛[11]。根據(jù)太原交通局指示，2015年度將投資1千多萬元來完成公交車智能化改造[12]。全國其他城市也正大力支持公交車的智能化改造。

4 結(jié)論

　　VANET的隱私保護和實時性非常關(guān)鍵，本文提出一個基于城市公交的隱私保護協(xié)議。該協(xié)議通過可信度高的公交車和DH算法實現(xiàn)實時性和隱私保護。理論分析表明，本協(xié)議能有效保證用戶隱私，同時節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，適應(yīng)VANET拓撲快速變化，實現(xiàn)安全高效的通信。

參考文獻

　　[1] 劉海濤.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

　　[2] Luo Jun， Hu BAUXJP. A survey of research in Inter-vehicle communications[R]. LEMKE K， PAAR C， WOLF M. Embedded Security in Cars-securing Current and Future Automotive IT Applications. [S. L.]： Springer， 2010：111-122.

　　[3] JOHN D. The sybil attack[C]. The First International Workshop on Peer-to-Peer Systems（IPTPS′01）， London， UK： Springer-Verlag， 2002：251-260.

　　[4] 陳辰.VANET系統(tǒng)安全的關(guān)鍵問題研究[D].上海：復(fù)旦大學，2011.

　　[5] 王景欣，王鉞，耿軍偉，等.基于匿名互換的車聯(lián)網(wǎng)安全與隱私保護機制[J].清華大學學報（自然科學版），2012，52（5）：592-597.

　　[6] 翟苗，拱長青，刁俊勝，等.基于PKI的車聯(lián)網(wǎng)安全通信與隱私保護機制[J].沈陽航空航天大學學報，2012，29（5）：59-63.

　　[7] 劉輝，李暉.采用群組密鑰管理的分布式車聯(lián)網(wǎng)信息認證方案[J].西安交通大學學報，2013，47（2）：58-62.

　　[8] 楊獻春.Diffie-Hellman密鑰交換算法及其優(yōu)化[J/OL]，[2011-09-28][2014-12-24] http：//wenku.baidu.com/view/5935096a25c52cc58bd6be49.html.

　　[9] SHAFI G， SILVIO M，Probabilistic encryption & how to playmental poker keeping secret all partial information[C]. Annual ACM Symposium on Theory of Computing，1982.

　　[10] SHAFI G， SILVIO M. Probabilistic encryption[J]. Journal of Computer and System Sciences， 1984（28）：270-299.

　　[11] 楊晶．太原機動車保有量：87萬輛[N]．山西晚報，2013-11-05．

　　[12] 蘇鑫波．投資8408萬建設(shè)智能化城市公交[Ｎ]．三晉都市報，2015-03-18．