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面向车联网的互信认证协议研究

徐成  
【摘要】:车联网衔接多个产业链,包括汽车、交通、通信、能源和物流等。车联网的基础包括车内网、车载自组网和移动互联网。车联网依据规范的协议和通信标准,通过车与场景中其他事物进行互联互通。因此,车联网有多通信场景的特殊性和复杂应用的多样性。现阶段车联网互信安全认证还没有形成完整的体系,急需实现多场景智能化接入,完善车辆动态信息多源交互网络。车联网环境通信场景主要包括五个:车-车、车-路侧单元、车-可信中心、车-云端和路侧单元-可信中心。现有的认证方案均对不同的通信应用场景开展研究,根据车辆在车联网中动态移动的特性,其通信行为可分为安全的网络接入场景和实时的通信交互场景。针对网络接入场景中身份匿名保护和多节点隐私保护问题,重点研究车辆接入网络过程中匿名切换互信认证方案和海量终端群组认证方案。针对实时通信交互场景中节点间进行信息共享读取和安全交易认证问题,重点研究信息高效共享场景的跨域认证方案和电动车-充电桩安全交易的跨域认证方案。本学位论文取得的主要研究成果简述如下:(1)车联网的匿名接入安全互信认证协议。当车载单元向云端请求各种服务时,车-可信中心和车-云端等通信场景中的接入过程和传统认证协议仍存在一定的复杂性和安全缺陷。本文研究优化LTE/LTE-A网络下的密钥认证协商过程,提出一个基于盲签名的匿名切换接入认证协议。在车联网中利用匿名可有效的隐藏和保护车辆的真实身份,同时需要实现消息认证、信息完整、身份可追踪等安全属性。经过对比分析,所设计的互信认证协议在具体验证中,满足更多的安全属性,实验结果表明,满足更多安全属性条件下,有较好的通信和计算性能,在车辆切换接入场景中有较好的应用效果。(2)车联网的群组接入安全互信认证协议。当大量车载设备同时接入网络时,如果每个设备都进行独立的身份认证,则会导致网络出现严重的信令拥塞。本文提出一种基于聚合代理签名的群组接入认证方案。在有多个车载设备的群组中,成员可以利用群组的方式对消息进行匿名签名验证,方案在验证时也可以判断该签名是否为群中成员所生成。同时,论文设计了一种有信息等级保护机制的互信认证协议,除可信管理员外,其他角色都无法得到当前签名的成员身份。利用聚合代理签名还可以有效解决群组内成员的身份匿名、隐私保护、抵御攻击等需求。经过对比分析,所设计的群组认证和信息保护方案可同时验证多个车辆设备,最小化认证过程中的信令开销,实现群组互信认证保护机制。实验结果表明,所提协议设计的签名验证函数可以完成信息保护的五个等级模式,在批量车载传感器接入认证场景中有较好的应用效果。(3)车联网的跨域通信安全互信认证协议。在车辆密度较大的场景中,需同时和基站、标志牌和红绿灯等不同源的网络节点通信,由于多次跨域信息读写交互,容易导致信息安全与传输受到威胁且可能造成广播风暴。本文提出一种跨域通信的互信认证方案,利用密钥共享和聚合代理签名,优化车载单元与路侧单元密钥协商过程,减少大规模车载设备与网络之间的信号交换次数。经过对比分析,设计仅有可信路侧单元可以获取汽车的真实身份,补足可追溯性。实验结果表明,跨域认证密钥协商可以提高车联网的交通信息高效共享,在车载设备密度大的场景中对公钥证书管理与存储等问题有较好的应用效果。根据车联网发展趋势,电动车的多源跨域通信会爆发式增长。针对电动车和充电桩跨域认证,以往的工作主要集中在网络性能优化管理方面,很少有研究考虑电动车与充电桩管理的安全性。本文提出了一种基于区块链的互信认证方案,设计实现充电桩和电动车的可靠安全交易模型,支持电动车和充电桩合理调度充电并安全互信认证。使用椭圆曲线加密来设计哈希函数,利用闪电网络作为基础管理。在协商认证阶段,通过产生随机数使得信息传输中进行多次哈希加密。经过对比分析,设计的四种调度方式可以与当前调度机制集成,有效完善安全可靠的交易模式。实验结果表明,所提协议执行后利用区块链记录,在网络内共享,有效防止篡改。在智能化充电管理中有较好的应用效果。


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