车载自组织网络中格基签密的可认证隐私保护方案

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2023010083

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (1): 233-241.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2023010083

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车载自组织网络中格基签密的可认证隐私保护方案

崔剑阳, 蔡英(), 张宇, 范艳芳

北京信息科技大学计算机学院，北京 100101

收稿日期:2023-02-06 修回日期:2023-05-10 接受日期:2023-05-12 发布日期:2023-06-06 出版日期:2024-01-10
通讯作者: 蔡英
作者简介:崔剑阳（1996—），男，河北承德人，硕士研究生，主要研究方向：车载自组织网络、信息安全、隐私保护；
张宇（1997—），女，河北石家庄人，硕士研究生，主要研究方向：深度学习、差分隐私；
范艳芳（1979—），女，山西运城人，副教授，博士，主要研究方向：信息安全、车联网、边缘计算。
第一联系人：蔡英（1966—），女，四川绵阳人，教授，博士，CCF会员，主要研究方向：车联网、边缘计算、隐私保护、计算机安全；
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(61672106);北京市自然科学基金-海淀原始创新联合基金资助项目(L192023)

Authenticatable privacy-preserving scheme based on signcryption from lattice for vehicular ad hoc network

Jianyang CUI, Ying CAI(), Yu ZHANG, Yanfang FAN

Computer School，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China

Received:2023-02-06 Revised:2023-05-10 Accepted:2023-05-12 Online:2023-06-06 Published:2024-01-10
Contact: Ying CAI
About author:CUI Jianyang， born in 1996， M. S. candidate. His research interests include vehicular ad hoc network， information security， privacy protection.
ZHANG Yu， born in 1997， M. S. candidate. Her research interests include deep learning， differential privacy.
FAN Yanfang， born in 1979， Ph. D.， associate professor. Her research interests include information security， vehicular networks， edge computing.
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(61672106);Natural Science Foundation of Beijing-Haidian Original Innovation Joint Fund(L192023)

摘要/Abstract

摘要：

针对车载自组织网络（VANET）中用户的隐私泄露和信息传输过程中的安全认证问题，提出一种VANET中格基签密的可认证隐私保护方案。首先，消息发送方利用接收方的公钥对消息进行签密，只有拥有私钥的接收车辆才能解密出消息，以保证消息内容在传输过程中只对授权用户可见；其次，车辆接收方解密出消息后，利用单向安全的哈希函数计算消息的哈希值，并判断是否与签密过程中的哈希值相等，实现对消息的认证；最后，采用快速数论变换（NTT）算法降低格中环上多项式乘法的计算开销，提高方案的计算效率。在随机预言机模型下证明了所提方案在适应性选择密文攻击下具有不可区分性，在适应性选择消息攻击（IND-CCA2）下具有强不可伪造性。此外，所提方案的安全性基于格上困难问题，可以抵抗量子算法攻击。仿真实验结果表明，与同类具有消息认证功能的隐私保护方案以及基于格上困难问题的签名方案相比，所提方案的通信时延至少减少了10.01%，消息丢失率至少减小了31.79%，通信开销至少减少了31.25%。因此，所提方案更适用于资源有限的VANET环境。

关键词: 车载自组织网络, 认证, 隐私保护, 格, 签密

Abstract:

To address the issues of user privacy leakage and message authentication in Vehicular Ad hoc NETwork （VANET）， an authenticatable privacy-preserving scheme based on signcryption from lattice was proposed. Firstly， the public key of receiver was used to signcrypt the message to generate the ciphertext， and only the receiver with corresponding private key could decrypt the ciphertext， which ensures messages visible only to authorized users. Secondly， after decrypting the message， the receiver calculated the hash value of the message by one-way secure hash function， and judged whether the hash value of the message changed， which realized message authentication. Finally， Number Theoretic Transform （NTT） algorithm was used to reduce the computational overhead of polynomial multiplication and improve the computational efficiency of the scheme. The proposed scheme was proved to have INDistinguishability under Chosen Ciphertext Attack （IND-CCA2） and Strong UnForgeability under Chosen Message Attack （SUF-CMA） under the random oracle model. In addition， the security of the proposed scheme is based on lattice hardness problems， so that it can resist quantum algorithm attack. Simulation experiment results show that the proposed scheme improves the performance in terms of communication delay （at least reducing 10.01%）， message loss rate （at least reducing 31.79%） and communication overhead （at least reducing 31.25%） compared to similar authenticated privacy-preserving schemes and a lattice-based signature scheme. Therefore， the proposed scheme is more suitable for resource-constrained VANETs.

Key words: Vehicular Ad hoc NETwork (VANET), authentication, privacy-preserving, lattice, signcryption

中图分类号:

TP309

崔剑阳, 蔡英, 张宇, 范艳芳. 车载自组织网络中格基签密的可认证隐私保护方案[J]. 计算机应用, 2024, 44(1): 233-241.

Jianyang CUI, Ying CAI, Yu ZHANG, Yanfang FAN. Authenticatable privacy-preserving scheme based on signcryption from lattice for vehicular ad hoc network[J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(1): 233-241.

图/表 12

图1 VANET模型结构

Fig. 1 VANET model structure

图2 可认证签密方案过程

Fig. 2 Process of authenticated signcryption scheme

图3 可认证隐私保护方案流程

Fig. 3 Flow of authenticated privacy-preserving scheme

表1 符号说明

Tab. 1 Symbol description

符号	符号含义描述
$N$	自然数
$n$	$n$ 为2的整数次幂
$q$	大素数
$Z q [x]$	系数范围在 $(- q / 2, q / 2]$ 的整数多项式
$R q$	$R q = Z q [x] / x n + 1$
$R q, [C]$	系数范围在 $[- C, C]$ 的整数多项式
$C ¯ n, ω$	度为 $n - 1$ 的多项式集合
$\| \| ⋅ \| \|$	向量的欧几里得范数
$p k$	车辆或RSU的公钥
$s k$	车辆或RSU的私钥
$D σ$	整数域上均值为0，标准差为 $σ$ 的高斯分布
$a ← D σ n$	抽样出系数服从 $D σ$ 分布的多项式 $a$
$[c] 2 d$	$c m o d 2 d$ ，其输出范围为 $(- 2 d - 1, 2 d - 1] ∈ Z$
$[c] d, q$	$c = ((c - [c] 2 d) / 2 d) (m o d q)$ ，其中 $d ∈ N$
$⊕$	异或操作

表1 符号说明

Tab. 1 Symbol description

符号	符号含义描述
$N$	自然数
$n$	$n$ 为2的整数次幂
$q$	大素数
$Z q [x]$	系数范围在 $(- q / 2, q / 2]$ 的整数多项式
$R q$	$R q = Z q [x] / x n + 1$
$R q, [C]$	系数范围在 $[- C, C]$ 的整数多项式
$C ¯ n, ω$	度为 $n - 1$ 的多项式集合
$\| \| ⋅ \| \|$	向量的欧几里得范数
$p k$	车辆或RSU的公钥
$s k$	车辆或RSU的私钥
$D σ$	整数域上均值为0，标准差为 $σ$ 的高斯分布
$a ← D σ n$	抽样出系数服从 $D σ$ 分布的多项式 $a$
$[c] 2 d$	$c m o d 2 d$ ，其输出范围为 $(- 2 d - 1, 2 d - 1] ∈ Z$
$[c] d, q$	$c = ((c - [c] 2 d) / 2 d) (m o d q)$ ，其中 $d ∈ N$
$⊕$	异或操作

表2 不同方案的安全性对比

Tab. 2 Comparison of security among different schemes

方案	机密性	不可伪造性	可认证性	抗量子算法攻击性
文献［17］方案	√	×	√	×
文献［18］方案	√	√	√	×
文献［29］方案	×	√	√	√
本文方案	√	√	√	√

表3 密码运算时间 (ms)

Tab. 3 Cryptographic operation time

符号	含义	计算时间
$T s$	高斯采样运算所需时间	0.326 267
$T m, a$	计算多项式乘法所需时间	0.031 124
$T a, e$	环 $R q$ 中加法运算所需时间	0.002 404
$T h$	执行哈希函数所需时间	0.000 146
$T m, e$	计算标量乘法所需时间	0.401 022
$T m, g$	循环群中乘法所需时间	0.165 217
$T a, g$	循环群中加法所需时间	0.001 404

表3 密码运算时间 (ms)

Tab. 3 Cryptographic operation time

符号	含义	计算时间
$T s$	高斯采样运算所需时间	0.326 267
$T m, a$	计算多项式乘法所需时间	0.031 124
$T a, e$	环 $R q$ 中加法运算所需时间	0.002 404
$T h$	执行哈希函数所需时间	0.000 146
$T m, e$	计算标量乘法所需时间	0.401 022
$T m, g$	循环群中乘法所需时间	0.165 217
$T a, g$	循环群中加法所需时间	0.001 404

表4 不同方案的计算开销和通信开销对比

Tab. 4 Comparison of computational overhead and communication overhead among different schemes

方案	计算开销/ms		通信开销/B
方案	签密	解签密	通信开销/B
本文方案	$3 T s + 7 T m . a + 6 T a, e + T h$	$T h + 5 T m . a + 3 T a, e$	176
文献［17］方案	$3 T m, g + T a, g$	$3 T m, e + 3 T m, g + T a, g + T h$	256
文献［18］方案	$3 T m, e$	$4 T m, e$	724
文献［29］方案	$2 T s + 5 T m, a + 5 T a, e$	$T h + 6 T m, a + 3 T a, e$	320

表4 不同方案的计算开销和通信开销对比

Tab. 4 Comparison of computational overhead and communication overhead among different schemes

方案	计算开销/ms		通信开销/B
方案	签密	解签密	通信开销/B
本文方案	$3 T s + 7 T m . a + 6 T a, e + T h$	$T h + 5 T m . a + 3 T a, e$	176
文献［17］方案	$3 T m, g + T a, g$	$3 T m, e + 3 T m, g + T a, g + T h$	256
文献［18］方案	$3 T m, e$	$4 T m, e$	724
文献［29］方案	$2 T s + 5 T m, a + 5 T a, e$	$T h + 6 T m, a + 3 T a, e$	320

表5 仿真参数

Tab. 5 Simulation parameters

参数	值
仿真节点移动速度/（km·h^-1）	≤70
仿真节点最大通信距离/m	300
RSU覆盖半径范围/m	500
车间距/m	5
车道	单向3车道，共6车道
可用带宽/（Mb·s^-1）	6

图4 不同方案的通信时延的对比

Fig. 4 Comparison of communication delay among different schemes

图5 不同方案的消息丢失率的对比

Fig. 5 Comparison of message loss rate among different schemes

图6 不同方案的通信开销的对比

Fig. 6 Comparison of communication overhead among different schemes

图7 篡改攻击仿真结果

Fig. 7 Simulation results of tampering attack

参考文献 29

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