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通信硕士:探索车载自组网中信息通信隐私保护

作者:2021-06-07 12:44阅读:文章来源:未知

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  摘要:车载自组网经过信息通讯完成信息共享,频繁停止信息通讯会产生两方面的平安问题:一是车辆身份隐私泄露;二是通讯音讯隐私泄露。针对此类问题,文章提出了一种车载自组网中信息通讯隐私维护计划。该计划采用假名的方式完成车辆身份的隐私维护,采用数字签名和通讯音讯区块链式构造,完成通讯音讯的隐私维护。实验标明,完成了车载自组网信息通讯过程中车辆身份隐私维护和通讯音讯隐私维护,并将车辆存储私钥、公钥的存储开支和追溯通讯音讯的时间开支均降低到常数级。

 

  关键词:隐私维护;信息通讯;区块链;车载自组网;椭圆曲线签名

 

  中图分类号:TP309文献标识码:A

 

  1引言

 

  车载自组网是一种特殊的自组织网络,能够看作是挪动自组网(MobileAd-hocNetworks,MANET)的子集,与挪动自组网不同的是车载自组网中的通讯节点是车辆。车载自组网的主要思想是车辆经过传感器等器件感知所在环境中信息,然后车辆将信息发送给网络中的其它车辆节点和根底设备等,使得信息在车载自组织网络完成信息共享。车载自组网是一个点对点网络,车辆既能够作为信息的发送方,也能够作为信息的接纳方。车载自组网具有无中心、多跳路由、网络拓扑构造变化快、网络容量有限、自治性、可扩展性等特性。

 

  车载自组网的特性及应用决议车载自组网络中的车辆之间以及车辆与路边根底设备需求停止频繁信息通讯,从而完成车载自组网的信息共享和智能效劳。在车载自组网频繁停止信息通讯过程中,攻击车辆能够截获通讯音讯,经过剖析截获的音讯剖析出车辆的身份、行驶目的地等信息,形成车辆用户隐私泄露,严重的可能会要挟人身平安。此外,经过剖析截获音讯攻击车辆能够剖析出用户的爱好,在车载自组网中投放歹意广告采购产品;攻击车辆也能够经过歹意修正截获音讯,招致通讯双方取得错误的音讯。但是假如多辆攻击车辆参加到车载自网中,则能够经过诱导非攻击车辆的行驶轨迹,形成车载自组网道路拥堵、交通事故等结果。因而,车载自组织网络的部署是一把双刃剑,给人们生活带来便利、温馨感的同时,也可能会招致车辆用户身份信息、位置信息、个人爱好信息等隐私信息,遭到要挟、车载自组网效劳瘫痪等危害。因而,寻觅有效的计划处理车载自组网中信息通讯隐私维护问题,可以保证车辆用户的个人隐私以及人身平安,使得车载自组网平安、稳定、高效地运转。

 

  为理解决车载自组网中信息通讯隐私维护问题,国内外学者曾经停止了大量的研讨。文献[1]提出了一个基于身份的车载自组网用戶隐私平安系统,基于身份的加密系统有助于进步通讯和存储效率,经过假名技术、阈值签名和基于阈值认证的防御计划来完成车载自组网的隐私维护。文献[2]提出了一种有效的在社交点改动假名的战略,完成车载自组网中位置隐私的维护。文献[3]提出了在车载云广告传播过程中完成平安和隐私维护计划,该计划中在保存响应车辆的辨认和配置隐私的条件下,应用有效的单属性访问控制协议来辨认有才能传播广告任务的车辆,同时采用隐私维护机密共享计划确认所选车辆的参与。文献[4]提出了基于驾驶员个人社交行为的隐私维护数据转发协议,完成了车载自组织网络中驾驶员的高牢靠性传输和隐私维护。

 

  本文针对车载自组网中的隐私维护问题,提出的处理计划包括两方面:一方面是车载自组网信息通讯过程中车辆身份的隐私维护;另一方面是车载自组网信息通讯过程中通讯音讯的隐私维护。经过实验结果及剖析,可完成车载自组网信息通讯的隐私维护并将车辆存储私钥、公钥的存储开支和追溯通讯音讯的时间开支均降低到常数级。

 

  2车载自组网

 

  2.1车载自组网系统架构

 

  车载自组网的系统架构能够分为三层:车辆网络层、根底设备层、云端网络层。如图1所示为车载自组网系统架构表示图。

 

  车辆网络层由各种车辆组成,每个车辆上都装置了车载通讯单元(OnBoardUnit,OBU),车载通讯单元不只能够用于车辆之间停止通讯,而且还能够用于处置车辆从各种传感器搜集来的数据。车辆之间通讯采用专用短程通讯(DedicatedShort-RangeCommunications,DSRC),其中包括IEEE802.11等无线通讯规范。固然车辆网络层经过车辆之间通讯能够提供有效的信息传输,但是处置车载自组网中的某些问题需求车辆与根底设备停止通讯、车辆之间通讯。这两种通讯方式增加了车载自组织网络部署的灵敏性,经过高速根底设备主干网络路由数据,而不是地道在车辆网络层上处置数据,能够更好地完成长间隔多跳车辆之间通讯的严厉延时请求。车辆网络层的车辆经过分层的网络协议、散布式算法等互相谐和,完成车辆自动组织以及车辆网络自动运转。车辆网络层有四个特性。

 

  (1)无中心。网络中的节点具有相同的位置,不只能够作为信息的接纳方也能够作为信息的发送方,不需求设置中心控制节点,即点对点网络。节点能够随时参加或分开网络,且网络中某一节点呈现毛病时,不会影响整个网络的正常运转,具有很强的抗击毁性。

 

  (2)自组织性。节点不依赖于网络的规划和设备,经过分层协议、散布式算法和各自的行为等,快速、自动地组成一个独立的网络。

 

  (3)多跳路由停止通讯。网络中的普通节点能够经过多跳转发的方式,完成节点之间的通讯。

 

  (4)动态拓扑快速变化。网络中的节点快速挪动、节点参加网络或者退出网络以及某个节点呈现毛病等状况,形成网络中节点拓扑构造无时无刻都在快速变化。

 

  根底设备层主要有路边单元(RemoteSubscriberUnit,RSU),路边单元是车辆网络层和根底设备层之间的网关。根底设备层的每个路边单元均有本人的管理区域,路边单元担任所涵盖天文区域内的车辆的管理和维修。网络层担任车载自组网中数据的存储,同时为车辆用户提供效劳。

 

  云端网络层主要由多个效劳器组成,用于存储车载自组网中共享信息、为车辆网络层和根底设备层提供效劳等。

 

  2.2车载自组网信息通讯隐私维护目的

 

  完成车载自组网中信息通讯隐私维护,能够为车辆营造一个平安的网络环境,进步人们出行效率。针对车载自组网的系统架构特性,车载自组网中信息通讯隐私维护应到达的平安目的包括七个方面。

 

  (1)通讯音讯的秘密性。在车载自组网中,通讯音讯中常常会包含车辆用户的身份信息、位置信息等敏感信息,这些敏感信息被第三方获取会给车辆用户带来费事。保证音讯的秘密性就是只要通讯双方晓得通讯音讯,任何第三方对通讯音讯一无所知,即便截获通讯音讯,也无法获取通讯音讯的内容。

 

  (2)通讯音讯的可用性。车载自组网中的车辆节点的拓扑构造不时停止变化,车载自组网中的通讯音讯具有实时性。这就请求车载自组网中的车辆节点和根底设备对通讯节点的传输具有高度的敏理性,保证通讯音讯在一定时间内完成音讯考证、车辆节点的身份考证等并抵达目的节点。

 

  (3)通讯音讯的完好性。在车载自组网中,保证通讯音讯的正确性和完好性是车载自织网中通讯的首要前提。车载自组网通讯双方停止音讯传送时,通讯有可能被未受权的第三方修正,形成接纳方收到错误的音讯。保证音讯的完好性就是保证通讯音讯在传送过程中不被未受权的第三方修正。

 

  (4)通讯音讯的可追溯性。音讯的可追溯性是指车辆节点要对本人发送的音讯担任任,当音讯呈现错误时能够找到是谁发送的音讯。车载自组网通讯过程中发现攻击车辆发送错误的通讯音讯,能够依据某些信息查找到此辆车。音讯的可追溯性保证车载自组网中的车辆依照规则文化驾驶,促进了车载自组网平安有序地运转。

 

  (5)车辆用户的个人隐私。车载自组网的目的是经过车辆之间通讯以及车辆和根底设备之间通讯完成信息共享,使得车辆用户可以得到愈加便利、增加人们出行的效率。完成车載自组网目的首先要保证车辆用户的个人平安和个人隐私,否则车载自组网的部署是毫无意义的。

 

  (6)车辆管理中心的可撤销性。当车载自组网中的车辆用户呈现歹意行为时,车辆管理中心能够查找到是哪个车辆用户施行的歹意行为,车辆管理中心有权撤销车辆用户在车载自组网中的合法身份。

 

  (7)访问控制。车载自组网能够为车辆用户提供路况信息、智能家居等效劳,车辆用户也能够为车载自组网提供路况信息等。此外,车载自组网中的车辆包括警车、急救车、公交车以及私家车等不同车辆,不同车辆关于效劳的需求和提供效劳的类别是不一样的。因而,能够对车载自组网中的车辆节点停止分类,为其分配不同的权限,防止非法用户访问范围以外的资源。

 

  3区块链系统架构及特性

 

  3.1区块链系统架构

 

  区块链开展到3.0阶段,能够把区块链系统看成一个五层构造,如图2所示为区块链系统架构表示图。区块链系统架构包括网络层、共识层、数据层、合约层以及应用层。网络层封装了组网机制、数据的传播和校验机制等,区块链网络普通为点对点网络;共识层封装了可插拔的多种共识算法;数据层将底层数据以区块链的方式停止存储;合约层对不同的脚本、算法、智能合约等停止封装,完成了区块链系统的可编程特性;应用层封装了区块链适用的场景,包括可编程货币、可编程金融、可编程社会等。

 

  区块构造[5,6]是由散列指针结构的一系列块中的链接列表。每个区块包含一系列事务数据,且经过密码学学问确保每个区块中的事务不会被窜改。如图3所示为区块构造表示图。区块链系统数据层区块链的区块构造由区块头和区块体两局部,区块体存储了每笔买卖两两停止哈希运算的哈希值,最后构成Merkle根存储在区块头中。区块头还包括版本号、时间戳、难度系数、随机数以及前一个区块的Merkel根组成。版本号用于软件的更新;时间戳表示区块生成时间,时间戳可以保证区块依照时间有序地构成区块链;难度系数表示生成区块的难度;随机数表示生成区块时处理的数学难题的解;经过区块头中存储前一个区块的Merkle根构成区块链。

 

  3.2区块链系统架构特性

 

  区块链架构整合了散布式存储、散布式共识算法、密码学技术等技术,为企业提供了一种透明的、可信的商业逻辑框架。区块链架构可以保证数据的平安,同时可以简化企业买卖流程、节约买卖费用。区块链的架构特性有七个。

 

  (1)去中心化。区块链系统采用点对点的网络形式,系统中每个节点具有相同的位置,没有中心化的管理机构。区块链中每个区块的构成需求满足区块链系统中节点之间的共识机制,否则,数据不能打包成区块。区块链系统中的一切节点共同维护区块链系统的正常运转,当区块链系统中某个节点呈现毛病时,由于区块链系统的共识机制可以容忍局部节点呈现毛病,因而,区块链系统依然能够正常运转。

 

  (2)去信任。区块链系统中节点之间的买卖、数据交流等操作经过数字签名,因而节点之间不需求相互信任就能够停止买卖、数据交流等操作,且在区块链系统正常运转的条件下,节点之间不可能有诈骗行为。

 

  (3)开放性。区块链系统是一个开放的系统,除节点的私有信息被加密外,区块链系统中一切数据均是公开的,任何节点均可查询区块链中的数据,整个区块链系统处于高度透明的状态,此外,区块链系统中节点能够随时参加或者退出区块链网络,不会影响区块链系统的正常运转。

 

  (4)匿名性。区块链系统中采用密码学办法完成节点之间交流数据等操作,不需求公开节点的真实身份就能够完成节点之间交流数据等操作。此外,由于区块链系统节点之间经过地址交流数据,地址时经过密码学处置过的数据,可以完成隐私维护,因而买卖双方以外的节点取得此次记载也无法晓得买卖双方的真实身份。

 

  (5)自治性。区块链系统中节点经过透明公开的标准和共识算法存储相同的区块链,使得节点能够在双方不信任条件下停止数据的交流、买卖等,任何人为的干预都会被区块链系统中节点发现。

 

  (6)不可窜改性。区块链系统中某个节点将数据打包进区块需求区块链系统中其它节点的考证,考证经过后才干构成区块,添加到区块链上。由于区块链构成时每个区块的区块头中均存储前一个区块的Merkle根,故存储在区块中的数据很难被修正,一旦区块中的某个数据被修正,Merkle根将发作改动,区块链系统中其它节点发现数据被窜改。

 

  (7)可追溯性。区块链账本在区块链网络中是公开的,任何人都能够查阅区块链账本的任何内容,且区块链账本具有不可窜改性保证区块链账本中的买卖正确,因而能够经过查阅区块链账本寻觅某笔买卖能否存在,完成了某笔买卖的可追溯性。

 

  4车载自组网信息通讯隐私维护

 

  4.1车载自组网信息通讯车辆身份隐私维护

 

  车载自组网中车辆之间以及车辆与路边根底设备之间停止频繁的信息通讯过程中很容易泄露车辆的身份,车辆的身份一旦泄露,车载自组网中的攻击者会依据车辆的身份关联到车辆的个人隐私信息[7],例如身份证号、车辆用户家庭状况等,攻击者就能够假装成车辆停止一些非法行为,还有可能对车辆停止敲诈讹诈。在车载自组网信息通讯过程中保证车辆的身份隐私是车载自组网部署的首要前提。为了维护信息通讯中车辆身份不被泄露采用假名的方式[8],如图4所示为车辆产生假名的过程,如表1所示为本文用到的符号变量列表。

 

  (1)车辆Vehicle选定一条椭圆曲线Ep(a,b),并取椭圆曲线上的一个阶为n(n为素数)点G(x,y)作为基点;车辆Vehicle应用随机数生成器产生一个[1,n-1]之间32bytes的随机数作为车辆Vehicle的私钥SKv。

 

  (2)车辆Vehicle依据公式(4-1)计算车辆的公钥PKv;

 

  (3)依据公钥64bytes的PKv产生车辆Vehicle的假名IDv的过程:将公钥PKv依次停止SHA256和RIPEMD160两次哈希算法产生20bytes的摘要,然后在摘要首部添加1byte的版本号前缀,在摘要末尾添加4bytes的校驗和组成25bytes的二进制车辆假名;校验和的产生过程:20bytes的摘要经过两次SHA256得到32bytes的摘要,取前4bytes作为校验和;25bytes的二进制车辆假名,经过Base58格式转换生成34bytes的车辆Vehicle假名IDv。

 

  4.2车载自组网中通讯音讯隐私维护

 

  在车载自组网信息通讯过程中,发送方发送的通讯音讯有可能被攻击车辆截获,歹意窜改通讯音讯,使得接纳方收到错误的通讯音讯,到达攻击车辆的不当目的。区块链不只具有去中心化、开放性、自治性等点对点网络的特性,而且具有去信任、匿名性、不可窜改性、可追溯性等平安性特性,合适应用于车载自组网中。本文采用区块链式存储构造来存储通讯音讯,可以保证提供一个正确的通讯音讯区块链账本,从而完成通讯音讯的可追溯性。

 

  在车载自组网信息通讯过程中,发送方首先用本人的私钥对通讯音讯停止签名,将签名附在通讯音讯后发送给接纳方和所属路边单元,接纳方接纳到附有发送方签名的通讯音讯,首先用发送方的公钥停止音讯的认证,假如认证胜利,肯定通讯音讯的确来源于发送方,选择置信该通讯音讯。如图5所示为通讯音讯签名和认证过程。发送方对通讯音讯的签名过程:

 

  (1)发送方选取随机数k[1,n-1],依据公式(4-2)计算点(x1,y1);

 

  (2)依据公式(4-3)计算r,若r=0,返回1)重新选择随机数k;

 

  (3)若r≠0,依据公式(4-4)计算通讯音讯m的哈希值h(m);

 

  (4)依据随机数k、通讯音讯的哈希值h(m)以及发送方的私钥SKv,依据公式(4-5)计算Sv,若Sv=0,返回1)重新选择随机数k;

 

  (5)若Sv≠0,则发送方对路况预警音讯的哈希值h(m)的签名为{r,Sv}。然后将发送方对通讯音讯哈希值h(m)的签名{r,Sv}发送给接纳方。

 

  接纳方收到带有发送方签名的通讯音讯后,对通讯音讯停止认证。接纳方对通讯音讯的认证过程:

 

  (1)若通讯音讯的签名{r,Sv}均是[1,n-1]之间的整数,对发送方发来的通讯音讯m依据公式(4-4)计算通讯音讯的哈希值h(m);

 

  (2)依据接纳方计算的通讯音讯m的哈希值h(m)、发送方发来的通讯音讯的签名{r,Sv}以及发送方的公钥PKv,依据公式(4-6)计算X;

 

  (3)假如X=0或∞,则回绝签名,否则,计算X在直角坐标系下x轴的投影,记为x’;

 

  (4)依据公式(4-7)计算f,若f=r,接纳方认证经过。

 

  路边单元接纳到附有发送方签名的通讯音讯,也会对通讯音讯停止认证,认证过程与接纳方对通讯音讯的认证过程相同,认证胜利后,路边单元将通讯音讯以区块链的构造停止存储。如图6所示为通讯音讯的链式存储构造表示图。

 

  车载自组网中通讯音讯的链式存储构造的区块由区块头和区块体组成。区块体中存储多条通讯音讯,将多条通讯音讯停止哈希运算,最后构成Merkle根存储在区块头中。此外,区块头中还包括:版本号、时间戳、区块数以及前一个路况预警音讯区块的Merkle根。经过存储前一个区块的Merkle根构成通讯音讯的链式构造。表2为通讯音讯区块头字段及含义。

 

  5仿真实验结果及剖析

 

  5.1仿真实验平台

 

  本文实验采用Goland平台停止代码编写,完成基于区块链的VANET路况预警计划。Goland是JetBrains公司为Go言语开发的IDE,其为Go言语提供编码辅助功用、工具集胜利能以及IntelliJ插件生态系统等。Go言语,又称Golang言语,是由谷歌公司开发的开源编程言语,于2009年11月正式推出。Go言语的语法与C言语类似,但Go言语的变量声明与C言语不同,此外Go言语增加了切片、并发、管道、渣滓回收、接口等。Go言语的特性包括:思想简单,没有多态、继承、类等;语法简约,代码的可读性和可维护性高,从而进步开发效率;语法级支持并发,具有同步并发Channel类型;包含丰厚的库、强大的工具和命令等。

 

  5.2仿真实验结果

 

  假定通讯音讯为路况预警音讯,发送方将路况预警音讯FirstRoadCongestion发送给接纳方。发送方将路况预警音讯FirstRoadCongestion打包并用本人的私钥签名,然后将签名附在路况预警音讯后一同发送给接纳方,接纳方收到附有签名的路况预警音讯后,对路况预警音讯停止认证,若认证经过,则证明此条路况预警音讯是发送方发送的路况预警音讯。同时,发送方将附有签名的路况预警音讯发送给所属路边单元,路边单元认证经过后,将路况预警音讯以区块链的链式构造停止存储。车载自组网中一切路边单元存储相同的通讯音讯区块链账本,并定时更新通讯音讯区块链账本。通讯音讯的链式存储构造保证了通讯音讯账本的正确性。当区块中存储的某个通讯音讯发作改动时,区块头中的Merkle根都会发作变化,由于每个路边单元都存储相同的通讯音讯区块链账本,故某个路边单元通讯音讯区块链账本发作变化,其它路边单元会发觉到,此时,会重新同步通讯音讯区块链账本,从而保证了通讯音讯区块链账本的正确性,以便完成通讯音讯的可追溯性。如图7所示为通讯音讯区块链账本。

 

  通讯音讯区块链账本包括三个区块,每个区块包括Index(区块数)、Timestamp(时间戳)、HashRoot(Merkle根)和PrevHashRoot(前一个区块Merkle根)。区块0为创世区块,HashRoot和PrevHashRoot均为0。如图8所示为区块1存储的路况预警音讯。当接纳方疑发送方发送的通讯音讯发作窜改时,能够依据接纳方收到通讯音讯的时间戳定位到通讯音讯存储的区块,经过查询区块中通讯音讯,经过比照可知通讯音讯能否发作窜改,完成了通讯音讯的可追溯性。

 

  5.3對比剖析

 

  5.3.1车载自组网信息通讯车辆身份隐私维护

 

  本文采用假名的方式来对车载自组网中车辆的身份信息停止躲藏,依据车辆的假名不能关联到任何有关车辆的真实身份信息,车载自组网中车辆与外界停止通讯,外界只能得知车辆的假名,假名是车辆在车载自组网中的独一标识,完成了车辆身份的隐私维护。

 

  文献[9~11]提出的车载自组网通讯音讯传播路由协议中,均未思索通讯音讯的隐私维护以及车辆身份的隐私维护问题。本文与文献[9~11]相比保证了车载自组网中车辆身份的隐私维护,从而维护了车辆用户的人身平安。

 

  5.3.2车载自组网中通讯音讯隐私维护

 

  (1)通讯音讯的可认证性。为保证接纳方收到的通讯音讯一定来自发送方,本文采用数字签名的方式。数字签名需求车辆存储私钥和公钥。文献[12]提出一种基于公钥根底设备的信息通讯计划,该计划中车辆必需存储大量的私钥和公钥,形成大量存储开支的糜费,本文中车辆只需求存储车辆自身的私钥和公钥。如图9所示为车辆私钥、公钥存储开支表示图。当车载自组织网络中车辆数目增加时,文献[12]的存储私钥和公钥所需的存储开支不时增加,本计划存储私钥和公钥所需存储开支不变。相比于文献[12]本文将存储私钥和公钥的存储开支进步到一个常数。

 

  (2)通讯音讯的可追溯性。本文将正确的通讯音讯以区块链的方式停止存储,构成一个不可窜改的通讯音讯区块链账本。当车载自组网中车辆疑心通讯音讯被窜改时,能够经过访问通讯音讯区块链账本,来检查通讯音讯能否被窜改,从而保证了通讯音讯的可追溯性。

 

  文献[12]提出的音讯追溯办法是在整个数据库中查找音讯记载,再依据音讯记载找到车辆的相关信息。本文对通讯音讯的追溯办法是,首先依据通讯音讯的时间戳定位到此条通讯音讯存储的通讯音讯区块链账本的区块,然后在区块中查找此条通讯音讯的相关信息。如图10所示为追溯通讯音讯的时间开支。

 

  如图10(a)所示云端的路况预警音讯区块链账本中存储较少的路况预警音讯,由图10(a)可知,文献[12]中追溯路况预警音讯的时间开支为O(n)(n为路宽预警音讯的数目),本文中追溯路况预警音讯的时间开支

 

  账本存储较多的路况预警音讯,由图10(b)可知,文献[12]中追溯路况预警音讯的时间开支仍然为O(n)(n为路宽预警音讯的数目),本文中追溯路况预警音讯的时间开支接近一个常数。

 

  6完毕语

 

  本文剖析了车载自组网中信息通讯的隐私维护问题,包括车辆身份的隐私维护和通讯音讯的隐私维护。为处理此问题,采用假名完成车载自组网通讯过程中车辆身份的隐私维护,采用数字签名和通讯音讯链式存储构造完成车载自组网中通讯音讯的隐私维护。经过实考证明,本文计划能够完成车载自组网信息通讯过程中车辆的身份隐私维护和通讯音讯的隐私维护,并将车辆存储私钥、公钥的存储开支和追溯通讯音讯的时间开支均降低到一个常数。

 

  本文将来的工作重心在于寻觅有效的鼓励机制,鼓舞车辆发送通讯音讯给路边单元而不是强迫性的;寻觅有效的共识算法保证通讯音讯区块链账本的分歧性。

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