基于区块链的车载自组网车与基础设施快速切换认证方案

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2023010068

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (1): 252-260.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2023010068

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基于区块链的车载自组网车与基础设施快速切换认证方案

宁娟桂, 董国芳()

云南民族大学电气信息工程学院，昆明 650500

收稿日期:2023-01-03 修回日期:2023-05-16 接受日期:2023-05-16 发布日期:2023-06-06 出版日期:2024-01-10
通讯作者: 董国芳
作者简介:宁娟桂（1997—），女，广西钦州人，硕士研究生，主要研究方向：安全认证协议、隐私保护；
第一联系人：董国芳（1979—），女，云南德宏人，副教授，博士，CCF会员，主要研究方向：安全协议、物联网安全。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(61662089)

Blockchain-based vehicle-to-infrastructure fast handover authentication scheme in VANET

Juangui NING, Guofang DONG()

School of Electrical and Information Engineering，Yunnan Minzu University，Kunming Yunnan 650500，China

Received:2023-01-03 Revised:2023-05-16 Accepted:2023-05-16 Online:2023-06-06 Published:2024-01-10
Contact: Guofang DONG
About author:NING Juangui， born in 1997， M. S. candidate. Her research interests include secure authentication protocol， privacy protection.
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(61662089)

摘要/Abstract

摘要：

针对车载自组网（VANET）中车辆通信面临的安全风险挑战以及车辆进入新的基础设施覆盖范围时需要进行复杂的身份重新认证问题，提出基于区块链的车载自组网V2I（Vehicle-to-Infrastructure）快速切换认证方案。该方案利用区块链去中心化、分布式和防篡改的特性，实现车辆认证信息的存储与查询；使用令牌机制，减少区块链查询次数，简化路边单元（RSU）切换认证阶段的认证过程，在后续的认证过程中只需检查令牌的有效性，实现了RSU的快速切换认证；采用了批量认证方法，能有效减少认证过程中的计算开销，提高消息认证效率；另外，可以实现对恶意车辆的追溯与撤销，并及时更新车辆的匿名身份，保证车辆的匿名性。相较于匿名批量认证方案、全聚合认证方案、无证书聚合签名方案、基于区块链的认证方案，所提方案在消息认证耗时上缩短了约51.1%、77.45%、77.56%和76.01%。实验结果表明，该方案能够有效降低车载自组网中的计算开销和通信开销。

关键词: 车载自组网, 区块链, 快速切换, 匿名认证, 安全通信

Abstract:

Aiming at the problems of security risk in vehicle communication and complex identity re-authentication when vehicles enter new infrastructure coverage in Vehicular Ad hoc NETwork （VANET）， a blockchain-based V2I （Vehicle-to-Infrastructure） fast handover authentication scheme in VANET was proposed. The decentralized， distributed and tamper-proof characteristics of blockchain were utilized to realize the storage and query of vehicle authentication information. Token mechanism was used to reduce the number of queries of blockchain， and simplify handover authentication process between Road Side Units （RSUs）. Because only the validity of token needed to be checked in subsequent authentication， rapid handover authentication of RSU was realized. Batch authentication was adopted to reduce the computation overhead and improve the efficiency of message authentication. In addition， the traceability and revocation of malicious vehicles was realized， and the anonymous identities of vehicles were updated in time to ensure the anonymity of vehicles. Compared with anonymous batch authentication scheme， authentication scheme with full aggregation， certificateless aggregate signature scheme， blockchain-based authentication scheme， the proposed scheme reduced the time consumption for message authentication by 51.1%， 77.45%， 77.56% and 76.01%. The experimental results show that proposed scheme can effectively reduce the computation overhead and communication overhead in VANET.

Key words: Vehicular Ad hoc NETwork (VANET), blockchain, rapid handover, anonymous authentication, secure communication

中图分类号:

TP309.2

宁娟桂, 董国芳. 基于区块链的车载自组网车与基础设施快速切换认证方案[J]. 计算机应用, 2024, 44(1): 252-260.

Juangui NING, Guofang DONG. Blockchain-based vehicle-to-infrastructure fast handover authentication scheme in VANET[J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(1): 252-260.

图/表 14

图1 系统模型

Fig. 1 System model

表1 参数及定义

Tab. 1 Parameters and their definitions

参数	含义	参数	含义
$G 1, G 2, G T$	乘法循环群	$s k R i$	$R S U i$ 的私钥
$P$	$G 1$ 的生成元	$p k V i$	$R S U i$ 的公钥
$s$	TA的私钥	$s k V i$	$V i$ 的私钥
$p p u b$	TA的公钥	$p k V i$	$V i$ 的公钥
$R S U i$	第 $i$ 个路边单元	$δ V i$	$V i$ 的签名
$V i$	第 $i$ 个车辆节点	$δ R i$	$R S U i$ 的签名
$R I D i$	$R S U i$ 的真实身份	$E T P I D V i$	$V i$ 的假名有效期
$V I D i$	$V i$ 的真实身份	$E T t o k e n$	$t o k e n$ 的有效期
$P I D V i$	$V i$ 的假名

表1 参数及定义

Tab. 1 Parameters and their definitions

参数	含义	参数	含义
$G 1, G 2, G T$	乘法循环群	$s k R i$	$R S U i$ 的私钥
$P$	$G 1$ 的生成元	$p k V i$	$R S U i$ 的公钥
$s$	TA的私钥	$s k V i$	$V i$ 的私钥
$p p u b$	TA的公钥	$p k V i$	$V i$ 的公钥
$R S U i$	第 $i$ 个路边单元	$δ V i$	$V i$ 的签名
$V i$	第 $i$ 个车辆节点	$δ R i$	$R S U i$ 的签名
$R I D i$	$R S U i$ 的真实身份	$E T P I D V i$	$V i$ 的假名有效期
$V I D i$	$V i$ 的真实身份	$E T t o k e n$	$t o k e n$ 的有效期
$P I D V i$	$V i$ 的假名

图2 认证与会话密钥协商

Fig. 2 Authentication and session key negotiation

图3 RSU切换阶段

Fig. 3 Handover phase of RSU

图4 组密钥更新

Fig. 4 Update of group key

表2 密码学运算的平均执行时间 ( ms)

Tab. 2 Average execution time of cryptographic operations

密码学运算	含义	平均执行时间
$T b p$	双线性配对运算	10.309 2
$T m t p$	基于双线性配对的Map To Point哈希运算	3.581 9
$T b p m$	基于双线性配对的乘法运算	1.420 2
$T b p a$	基于双线性配对的点加运算	0.017 2
$T e$	取幂运算	1.624 1
$T h$	哈希运算	0.001 0

表2 密码学运算的平均执行时间 ( ms)

Tab. 2 Average execution time of cryptographic operations

密码学运算	含义	平均执行时间
$T b p$	双线性配对运算	10.309 2
$T m t p$	基于双线性配对的Map To Point哈希运算	3.581 9
$T b p m$	基于双线性配对的乘法运算	1.420 2
$T b p a$	基于双线性配对的点加运算	0.017 2
$T e$	取幂运算	1.624 1
$T h$	哈希运算	0.001 0

表3 各方案在认证过程中的理论计算开销 ( ms)

Tab. 3 Theoretic computation costs of various schemes in authentication phase

认证方案	生成签名	单一认证	批量认证
匿名批量认证方案	$2 T b p m + 2 T b p a + T h = 2.875 8$	$3 T b p + T b p m + T b p a + T h = 32.366 0$	$3 T b p + 2 n T b p m + 4 n - 3 T b p a + 2 n T h = 2.911 2 n + 30.876 0$
全聚合认证方案	$3 T b p m + T b p a + 2 T h = 4.279 8$	$3 T b p + 2 T b p m + T b p a + T m t p + T h = 37.368 1$	$3 T b p + 2 n T b p m + 2 n - 1 T b p a + n T m t p + n T h = 6.457 7 n + 30.910 4$
无证书聚合签名方案	$3 T b p m + T b p a + T m t p = 7.859 7$	$3 T b p + 2 T b p m + T b p a + 2 T m t p = 40.949 0$	$3 T b p + 2 n T b p m + 3 n - 2 T b p a + n + 1 T m t p = 6.473 9 n + 34.475 1$
基于区块链认证方案	$6 T b p m + 2 T b p a + 3 T h = 8.558 6$	$2 T b p + 4 T b p m + 2 T e + 5 T h = 29.552 4$	$2 T b p + 2 n + 2 T b p m + 2 n T e + 2 n + 3 T h = 6.090 6 n + 23.461 8$
本文方案	$T b p m + T h = 1.421 2$	$2 T b p m + T b p a + T h = 2.858 6$	$n + 2 T b p m + 3 n - 2 T b p a + n T h = 1.472 8 n + 2.806 0$

表3 各方案在认证过程中的理论计算开销 ( ms)

Tab. 3 Theoretic computation costs of various schemes in authentication phase

认证方案	生成签名	单一认证	批量认证
匿名批量认证方案	$2 T b p m + 2 T b p a + T h = 2.875 8$	$3 T b p + T b p m + T b p a + T h = 32.366 0$	$3 T b p + 2 n T b p m + 4 n - 3 T b p a + 2 n T h = 2.911 2 n + 30.876 0$
全聚合认证方案	$3 T b p m + T b p a + 2 T h = 4.279 8$	$3 T b p + 2 T b p m + T b p a + T m t p + T h = 37.368 1$	$3 T b p + 2 n T b p m + 2 n - 1 T b p a + n T m t p + n T h = 6.457 7 n + 30.910 4$
无证书聚合签名方案	$3 T b p m + T b p a + T m t p = 7.859 7$	$3 T b p + 2 T b p m + T b p a + 2 T m t p = 40.949 0$	$3 T b p + 2 n T b p m + 3 n - 2 T b p a + n + 1 T m t p = 6.473 9 n + 34.475 1$
基于区块链认证方案	$6 T b p m + 2 T b p a + 3 T h = 8.558 6$	$2 T b p + 4 T b p m + 2 T e + 5 T h = 29.552 4$	$2 T b p + 2 n + 2 T b p m + 2 n T e + 2 n + 3 T h = 6.090 6 n + 23.461 8$
本文方案	$T b p m + T h = 1.421 2$	$2 T b p m + T b p a + T h = 2.858 6$	$n + 2 T b p m + 3 n - 2 T b p a + n T h = 1.472 8 n + 2.806 0$

图5 生成签名和单一认证计算开销

Fig. 5 Computation overhead of generating signature and individual authentication

图6 单一认证和批量认证计算开销

Fig. 6 Computation overhead of individual authentication and batch authentication

图7 城市道路网络模型

Fig. 7 Urban road network model

图8 不同消息数的认证计算开销

Fig. 8 Authentication computation overhead with different message numbers

图9 认证时延与车辆速度的关系

Fig. 9 Relationship between authentication delay and vehicle speed

表4 各方案在认证过程中的通信开销

Tab. 4 Communication costs of various schemes in authentication phase

认证方案	通信开销
匿名批量认证方案	$4 G 1 + T = 516 B$
全聚合认证方案	$4 G 1 + Z p + T = 536 B$
无证书聚合签名方案	$2 G 1 = 256 B$
基于区块链认证方案	$2 G 1 + 2 Z p + T = 300 B$
本文方案	$G 1 + 3 Z p + T = 192 B$

表4 各方案在认证过程中的通信开销

Tab. 4 Communication costs of various schemes in authentication phase

认证方案	通信开销
匿名批量认证方案	$4 G 1 + T = 516 B$
全聚合认证方案	$4 G 1 + Z p + T = 536 B$
无证书聚合签名方案	$2 G 1 = 256 B$
基于区块链认证方案	$2 G 1 + 2 Z p + T = 300 B$
本文方案	$G 1 + 3 Z p + T = 192 B$

图10 信息上链与查询交易成本

Fig. 10 Message upload and query transaction costs

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Blockchain-based vehicle-to-infrastructure fast handover authentication scheme in VANET

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