一种面向异构车载通信中基于高效签密的安全通信机制*

张延年，吴 昊，张 云

（南京交通职业技术学院电子信息工程学院，南京 211188）

0 引言

车联网（vehicular ad hoc networks，VANETs）已成为智能交通系统（intelligent transportation system，ITS）的重要组成部分［1］。随着交通流量的日益剧增，都市交通拥塞严重，交通事故也随之增加。通过引入VANETs，使车与车之间和车与其他路边设施（road side unit，RSU）间保持通信［2］，能够缓解交通拥塞问题，增强交通安全性。

典型的VANETs 由信任实体、RSU 和安装了车载单元（on-board units，OBUs）的车辆3 个实体组成。车辆与周围的车辆和RSUs 通信。通常用车与周围物体通信（vehicle-to-everything，V2X）泛指VANETs所有通信类型。V2X 通信包含车间通信（vehicle-tovehicle，V2V）通信［3］、车与基础设施通信（vehicleto-infrastructure，V2I）。

目前，已有多个VANETs 通信标准，如专用短程通信（dedicated short range communications，DSRC）［4］，WiFi，WiMAX，5G/LTE。每个通信系统的通信效率和安全性能不尽相同。此外，不同车辆可能采用了不同的OBU 技术。例如，不同的车辆或者RSU 采用了不同的加密技术，这就使得V2V 或者V2I 间通信网络呈现出异构性。

此外，由于开放的无线信道，安全和隐私问题成为VANETs 的研究热点。目前VANETs 网络中存在多类的安全攻击，如恶意第三方截取、篡改和重传消息。因此，接收节点需对所接收的消息进行认证，证实消息的机密性和和完整性［5］。

传统的安全隐私算法只对VANETs 的安全消息签名，没有加密。然而，被广播的安全消息可能被部分攻击者接收。因此，确保恶意的第三方实体不能容易窃取安全消息的内容是非常重要的。签密是解决此问题的有效方法。签密不仅沿用传统算法对消息进行签名，还对消息进行加密。

此外，VANETs 中实体可能使用不同的加密算法对它们各自消息进行签密和解签密，这使通信呈现异构。相应地，研究人员提出不同的异构签密算法，尽管这些算法满足了安全性能要求，但是这些算法效率低，其受车辆移动速度影响。同时，这些算法不能批量解签密文件。原因在于：这些算法包含了大量的双线性操作、标量乘法操作和map-topoint 哈希函数操作。这些操作被认为是签密和解签密阶段中最耗时的运算。而每辆车的OBU 的资源有限，如计算能力，数据存储容量有限。因此，在车辆密集区域，接收车辆可能同时接收了多个密文。接收车辆需要在100 ms～300 ms 时期内解签密这些密文是非常困难的。

因此，针对异构的车载通信，需要高效的签密算法。主要工作如下：1）提出LICS；2）在随机预言模型下基于Diffie-Hellman 的困难性问题证明LICS算法的消息机密性和密文不可伪造性；3）分析了LICS 算法的通信和计算成本。

1 相关工作

异构VANETs 安全性能包括消息的机密性，可认证性，完整性和不可否认性。通常，利用加密算法可实现消息的机密性。而利用数字签名［6-9］能够实现消息的可认证性、完整性和不可否认性。此外，这些安全性能也可通过签密算法实现。在签密算法中，先对消息进行签名，再对消息进行加密。然而，签密算法对发送端和接收端带来更多的计算开销。

文献［1］针对异构车与RSU 间通信安全问题，提出了4 个签密方案（four signcryption schemes，FSCS）。文献［10］提出了新的签密算法。文献［11］提出了两个异构的签密方案（heterogeneous signcryption scheme，HSC）维护车间通信的安全。文献［12］提出了可证明的安全签密（provable secure signcryption scheme，PSSS）方案。文献［13］针对智能电网的安全问题，提出了可证明的安全异构签密方案（provable secure heterogeneous signcryption scheme，PSHS）。上述的这些方案并没有考虑到计算成本，也不支持批量解签密文件。

在PKI 环境中，认证中心（certificate authority，CA）通过身份信息和公钥向节点签发证书，并进行签名，进而保证证书的可信和不可伪造性。IBC 策略直接使用用户的身份信息，如电话、Emaill、IP 地址，构建用户的公钥。私钥由私钥产生中心（private key generator，PKG）产生。在IBC 环境，无需使用任何证书，可验证公钥的合法性。

此外，相比于传统的先签名后加密或先加密后签名的方案，签密方案可在一个逻辑步骤里同时完成签名和加密的功能，而且大大减小计算量。并且，通过签密可以有效维护消息的机密性，完整性和不可伪造性［14-15］。因此，在VANETs 中实施签密方案，可在保护车辆隐私的同时降低车辆的计算成本和通信成本。

2 预备知识

2.1 网络模型

将车联网中的实体划分为了上层和底层。上层包含信任实体（trusted authority，TA）和应用层服务；底层包含RSUs 和车辆，如图1 所示。考虑异构的车载网络，其由TA，RSUs 和车辆3 个实体构成。实体间采用不同的通信技术进行通信，例如，采用IBC技术的车辆与采用PKI 技术的车辆通信，其属典型的异构车载网络实例。

图1 系统模型Fig.1 System model

TA 作为系统的密钥生成中心，其产生系统参数并为RSUs 和车辆提供注册。同时，TA 也为车辆提供假名信息，进而保护车辆在通信时的隐私信息。为了实现条件隐私保护，TA 也存储车辆的真实身份和假名。一旦发生纠纷，TA 能够追溯到相关车辆。

沿路边上部署RSUs。这些RSUs 为其覆盖范围内的车辆和TA 提供服务。每个RSU 通过DSRC 协议与其覆盖范围内的车辆通信。为了保证安全，RSU将从车辆所接收的消息进行认证。

每个车辆安装了车载设备OBU。车辆通过OBU能够与周边设备进行通信。同时，OBU 内具有防篡改设备（tramper-proof device，TPD）。车辆通过TPD存储数据，防止数据泄露。

2.2 双线性对

2.3 LICS 算法中4 个算法的定义

LICS 算法主要由以下4 个算法组成：

系统建立算法Setup：TA 执行Setup 算法。输入安全参数k，Setup 算法输出主私钥δ 和系统公共参数Φ，包括主公钥Ppub。

假名和密钥生成算法Ibckg：Ibckg 算法用在

3.5 批量消息的解签密

为了提高解签密消息的效率，LICS 算法支持批量消息的解签密。即接收者接收了多条消息时，它同时解签密这些消息。实际上，以最少的双线性对

4 性能分析

在Windows 7 操作系统、8 GB 内存，core i7 CPU的PC 上进行实验。为了更好地分析LICS 算法的性能，选择HSC 方案，PSSS 方案、PSHS 方案和FSCS 方案作为参照，分析这些方案的运算时间和通信成本。

4.1 安全性分析

由于签密算法对消息进行签名并加密，能够维护消息的完整性。为此，本节重点分析消息机密性和密文不可伪造性。即在随机预言模型（random oracle model，ROM）下证明LICS 算法的消息机密性和密文不可伪造性。

4.1.1 消息机密性安全性证明

图3 证明定理1 的结构Fig.3 Structure for the proof of theorem 1

图4 证明定理2 的结构Fig.4 Structure for the proof of theorem 2

图5 明文签密的运算时间Fig.5 Operation time of the plaintext signcryption

图6 解签密的运算时间Fig.6 Operation time of the unsigncryption

图7 批量解签密文件所消耗的时间Fig.7 Operation time of the Multiple-ciphertexts unsigncryption

4.2.4 通信成本

引用文献［21］的通信成本分析方法，分析HSC、PSSS、PSHS、FSCS 和LICS 算法的密钥大小和密文大小，即通信成本。阶数p=512 bits（64 bytes）。在G1上一点的尺寸为64 bytes。

5 结论

针对异构车载网络的安全和隐私问题，提出高效的条件隐私保护的签密算法（LICS）。LICS 算法通过双线性对满足异构实体通信的安全要求。同时，允许基于IBC 的车辆与基于PKI 的车辆进行消息传输。为了提高解签密效率，LICS 算法可批量解签密。通过安全和运算性能分析表明，提出的LICS 算法能够满足消息的完整性和不可伪造性，压缩了运算时间，并降低了通信成本。

表1 通信成本Table 1 Communication cost

随着城市智能交通的发展，异构车载网络中车辆用户的需求将呈现多样性和复杂性。确保车载网络的安全和隐私是推动城市智能交通健康发展的关键因素。因此，本文研究的成果可应用于城市智能交通领域。