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5G时代车联网安全和隐私问题研究

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资料介绍

基于隐私保护的车联网身份认证系统面临各种攻击的威胁,其中最普遍的一种攻击就是Sybil攻击.结合车联网自组织、快速移动、多跳、自治的特点,提出一种基于证书和假名机制的隐私解决方案,设计了智能传输系统隐私框架,给出了安全组通信分布式模型,提出组播密钥管理逻辑二叉树模型,构建逻辑二叉树生成、更新、新用户加入、用户删除的方法,并对比分析了逻辑二叉树和常规方式的性能.

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V01．50

No．5

第50卷第5期

2017年5月

通信技术

Communications

Mav．2017

TechnoIogy

doi：10．3969／j．issn．1002—0802．2017．05．031

5G时代车联网安全和隐私问题研究+

冯中华，曾梦岐，陶建军

(中国电子科技集团公司第三十研究所，四川成都610041)

摘要：基于隐私保护的车联网身份认证系统面临各种攻击的威胁，其中最普遍的一种攻击就是

svbil攻击。结合车联网自组织、快速移动、多跳、自治的特点，提出一种基于证书和假名机制的

隐私解决方案，设计了智能传输系统隐私框架，给出了安全组通信分布式模型，提出组播密钥管

理逻辑二叉树模型，构建逻辑二叉树生成、更新、新用户加入、用户删除的方法，并对比分析了

逻辑二叉树和常规方式的性能。

关键词：5G通信；车联网；认证；隐私

中图分类号：TP311

文献标志码：A

文章编号：1002—0802(2017)一05—1010—06

and

Issues of 5GVANETs

Security

PriVacy

FENG_{Zhong—hua，ZENG}

Meng—qi，TAOJian—jun

Institute of

Sichuan

(No．30

CETC，Chengdu

610041，China)

Abstract：The

attack is one of the most

attacks in VANETs_system

authentication．

identity

based

Sybil

geneIm

with t11e chamcteristics of

autonomousness in

Combined

VANETs，a_priVacy

self_o蜡anization，梳t—moVing，and

s01ution basedon certificate aIld f酞e name is

fhmeworkof

inteⅡigent

protection

proposed，the priVacy pmtection

咖smission

the distributed

communic撕on model

system ^isdesigned，and

sec删ty gmup

established．Meanwhile，

tlle

t}le

two

hvo

of multicast

bina巧Ⅱ℃e

and

genemtion update

lo舀c

key management ^isput forward，including

lo百c

aJld

deleting．AdditionaUy comparatiVeanalysis

is also done on the

tree，users

binary

inserting

perfb珊ance

be卅een

tree andconventional methods．

binary

10舀c似o

words：5G

Key

communication；VANETs；authentication；privacy

引

言

份报告，题为“物联网：第二个数字革命的主要组

成部分”。该报告显示，从一开始就进行必要的研究，

包括安全、信任、道德和隐私方面的设计和实现。

新兴的车联网应用越来越多地依赖于捕获和处理个

人数据，因此需要构建一个保护个人利益与建立数

字经济中的隐私的平衡，因为数字经济在构建新的

商业和社会创新机遇时必然会使用个人信息。无人

5G技术在未来车联网(VANETs，Vehielllar^Ad—

NETworks)中的应用前景非常广泛。随着5G标

hoc

准的逐步敲定，5G将逐步从技术走向应用，而5G

时代车联网设备的安全和隐私尤为重要。车联网是

5G网络的一个重要应用领域。越来越多的人认为，

物联网(Intemet of鸭ings，10T)代表了下一代数字

革命的开始。每天都有设备连接到网络上共享它们

的数据，到2020年，行业分析师估计设备的数字可

能在200～1 000亿。物联网部门的全球价值估计超

过每年4 000亿美元。英国政府在2014年发表了一

Amonomous

驾驶车(Connected

Vehicles，CAV)和

智能传输系统(Inteuigent

system，I，I’S)是

Transport

物联网传感器的一个重要应用，需要设计一个新的

安全和隐私保护的解决方案。

Received

$收稿日期：2016—12—20；修回日期：2017—03—17

date：2016一12—20；Reviseddate：2017—03一17

· 1010·

万方数据

第50卷

冯中华，曾梦岐，陶建军：5G时代车联网安全和隐私问题研究

第5期

信号强度的方案如文献[2—3]等，比较依赖硬件的

1车联网的网络结构

支持。而文献[4—5]中，基于资源监测的方案面对

资源较多的攻击者将毫无抵抗能力。这使得基于身

自组网是一种无线分布式结构，强调多跳、自

组织、自管理的概念。因此，车联网也是一种自组

网，是一种快速移动的户外通信网络或车载自组织

交通信息系统。车联网的核心思想：在一定范围内，

相互通信的车辆需要交换各自的信息(如车速、位

置、路况数据等)，自主连接，建立一个移动网络，

如图1所示。

份认证的检测方案成为主流方法【6。9J。

其中，文献[4]提出了一个使用假名抵御Sybil

攻击的车辆隐私保护方案，即系统为每个车辆分配

一定数量的假名，滥用假名会被RSu检测出来，且

这个方案要求Rsu的通信范围覆盖整个网络，通过

Rsu一直监听、计算的方式来发现是否有恶意车辆

发起Svbil攻击。这样Rsu的负担非常重，影响其他

功能的使用。而在文献『6]提出的方案中，Rsu只

是负责转发消息，车辆假名的产生和认证都由区域

服务器完成，而车辆的身份是由车辆的唯一ID和密

钥做HASH生成。这种身份产生方式，牺牲了隐私性，

导致车辆位置隐私的泄漏。文献【7]提出一种足迹的

方案来检测svbil攻击，方案中车辆通过主动向经过

的Rsu请求认证信息，作为某个时刻从Rsu经过的

证据，从而能为车辆产生一个基于隐私保护的位置

隐藏路径信息。文献[8]利用非假名的发现消息来保

护隐私安全，每一辆车在报告任何事件前都需要从

图l车联网结构

BRSU(Border

SU)获得一个“记号”。该方案需

车联网通信系统由j部分组成：车载单元

(0n—Boaurd unit)、路旁单元(Rsu)和5G通信协议。

oBu放在移动的车辆上，类似于一个移动终端，只

是不同类型移动终端的通信方式和频率可能不同。

需要说明的是，0Bu基于嵌入式处理单元，处理能

力较强。

要BRsu覆盖全网，如果BRSu被攻击，无法为车

辆提供“记号”，被攻击BRSu覆盖范围的车辆就

无法发送消息。在文献[9]中，车辆从附近RSU收

集带有Rsu签名的时间戳信息，并以时问戳序列作

为自己通信时的身份信息。

RSU装载在道路关键点上，在雷达范围上对

OBU提供无线接入。整个车联网分为上下两个层次：

上层包含应用服务器和Rsu。服务器利用传输层安

全协议通过安全信道和Rsu相连。服务器给Rsu

提供应用数据，Rsu作为网关传递数据给下层。下

层包含所有的车辆。所有车辆和Rsu保持时间同

步，允许车辆之间以及车辆和RsU之间相互通信。

在车联网中，通信模式主要分为两种：车与车之问

的通信；车与基础设施之间的通信：

lTS分布式的隐私解决方案

针对ITs智能传输系统的分布式特点，我们认

为分布式密钥管理比较合理，因为没有网络集中控

制点：一种典型的ITS安全应用如图2所示。

，，，季象基，)：瓣

．消息内容(如车辆长度)

‘i{夏磊五磊——f<<’

0，／—}

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、、一毒孓善，r一丽而飞；三莎i再荔

I三“e《咀

、、F—_『盯丁C＼、．

蜀

2国内外进展

鼯趣米粟馒皆

智能手机

、

I· 蛆信负荷t如发I

i， 7■漆莲蛰

L—

图2 ITS安全应用

土2==气“c^M，o￡NM

最早，svhil攻击是由Douceu川提出的。作者

l送端和接收端1P一

认为，在peer—to—peer网络中，存在一个实体假扮

多个身份来攻击其他实体的威胁。研究发现，不仅

例如，认证权威机构与招聘机构、智能汽车之

间需要进行认证鉴权，以避免数据误用和误操作；

智能汽车之间需要安全传递消息，消息中包括证

书和通信标识，同时还需要传输cAM(c00pemtive

在pee卜to—peer网络，在车联网中同样存在这种攻

击。目前，车联网中主要的sybil攻击检测方案大

多是基于信号强度、资源监测、身份认证等：基于

· 1 01 1·

万方数据

2017年

通信技术

Awareness

Message，合作意识信息)和DENM

注册机构(Enmllment Authoritv，EA)，验证一个

ITs是否可以信任，给出ITs身份证明临时标识符，

以证实自己的身份；②授权机构(AA)，一个ITs

可以申请特定权限，并且由授权证书表示。

_(DistributedE而roment Notmcation

境通知信息)。

Message，分散环

一种基于证书和假名机制的隐私解决方案如

图3所示。根cA为招聘机构和认证机构颁发根证

书；招聘机构为人员颁发用户证书；认证机构为人

员颁发匿名授权证书；智能汽车之间则依托证书对

广播消息签名。匿名与身份隐藏是本研究的目标之

一，ITS是物联网(IoT)和5G网络的一个重要应用，

其他的匿名技术，包括洋葱路由、使用群组增强匿

名性、混淆网络等，也值得借鉴。

在ITS网络内，EAITs用假名给ITS提供了一

个登记证书(长期)。权威机构给ITS提供多个假

名及相关授权证书(短期)，用于其安全消息。

ITS隐私框架实例，如图4所示，根CA为证

书验证机构提供根证书，证书验证机构为证书颁发

机构提供证书验证及查询支持。需要说明的是，证

书颁发机构为智能汽车颁发证书。

国际组织ETSI也给出了相关ITS文件，包括：

(1)ETSITS 102

731：“智能传输系统(ITS)；

根证转＼

么伫 J ＼

安全；安全服务和体系结构”。

TS 102

(2)ETSI

941：“智能传输系统(ITS)；

如JE机构

，

安全；信任和隐私管理”。

‘＼人 !

奎员少／L—～

鬟／／匿名授权旺书

柰心。芝

TS 102

(3)ETSI

73l：“智能传输系统(ITS)；

标酬D＼、

／／．撩

安全；安全服务和体系结构”。

EN 302

能汽车2

糟能汽乍1

}^|l^{+—_爨^———_1

(4)ETsI

665：“智能运输系统(ITS)；

————J簋名广播消息——

Bc：Bootst怕p certi们cate，启动证书

通信体系结构”。

TR 102

(5)ETSI

638：“智能运输系统(ITS)；

Ec：Enro|Iment cenificate，ffJ户证书

通信工具；基本应用集；定义”。

(6)IEEE 1609．2： “车载环境无线接人一应

用和管理信息安全服务”。

15408

图3一种隐私解决方案

--------------—--· -—--· 一

由于ITS安全消息采用广播方式传输，ITs站

之间的可信关系必须是可验证的和可扩展的(多

到数以百万计的节点)。因此，ITS的注册和授

(7)IsO／IEC

2：“信息技术一安全技术一IT

安全评估技术标准”。

Thir(1

权不同的服务是委托可信的第三方(Tmsted

Parties，rrllP)。特别是两类认证机构(CA)：①

图4 ITS隐私框架买例

由于节点规模非常大(数以百万计的汽车／智

能手机)，内部攻击者很容易广播安全消息，需要

深入研究以定义隐私指标来衡量，并量化评估匿名

的强度。在隐私保护设计中，需要特别考虑对网络

性能的影响。安全／隐私对网络性能的影响应保持

到最低限度。大规模环境下的动态PKI设计和管理

是个挑战，需要加强对报告和关闭恶意ITs节点技

术的研究。

ITs安全组通信分布式模型，如图5所示，采

用分区设计的思想，区域1中发送者与接收者之间

· 1012·

万方数据

第50卷

冯中华，曾梦岐，陶建军：5G时代车联网安全和隐私问题研究

第5期

进行多播数据处理，区域2中组控制器进行密钥管

理，区域3中策略服务器进行多播安全策略管理。

在分布式密钥管理中，如何在秘钥更新和计算开销

之间寻找平衡是一个挑战：使用单一加密域增加密

钥更新开销，而分组分为不同的区域引入了新的传

输开销。在功率受限的传感器设备、AdHoc网络以

及延迟敏感的应用(如多媒体会议)中，找到平衡

需求是一个有意义的研究方向。

删_羰瓣簿 {◇二一芸三◇

图5 ITs安全组通信分布式模型

镩心o

ni只

!lI__——一

下面论述逻辑二叉树及逻辑密钥二叉树的生

成。LKH(Logical Key Hierarchy)方案构建的组播

密钥树一般为二叉树或三叉树，特点在于树的每一

层节点的分支数相同，不同层节点的分支数也相同，

即密钥树的度聊为固定值。

的排序依次为@，，，z：，，，z，。)，要构造的逻辑密钥二叉

树树高五=1b16+1=5，按照以上逻辑密钥二叉树的初

始化构造步骤，可得到图6所示的逻辑密钥二叉树。

设网络中有优个组成员，定义为印。，甩：，，疗。)。

如果某个组成员，z，有移动的可能，假设其失效的概

率为p，，则根据组成员的稳定性从高到低进行排序，

把失效可能性越大的组成员放在最右侧，这里假设

其顺序为(，z，，刀：，，，z。)，规定构造的顺序是从左到右、

逻辑密钥二义树

从上到下，则二叉树的构造步骤如下：

单域中大规模群组密钥分发逻辑密钥树结构如

图7所示。密钥层次分为4层，用户为16个。

(1)令变量f=1，把组成员咒．作为根节点，

同时用，z，自身填充其左孩子。

(2)进入子节点层，若f<聊+l，则扛“1，

用胛，自身填充其左孩子，并按构造顺序依次用，z，填

充上一层根节点的右孩子。

不断重复上面第(2)步，直到所有节点都填充

完。结合该树的构造特点，根据数学归纳法可知，

若有疗个组成员，且逻辑密钥树的度为后，树的高度

l表示不小于x

为Jlz∞>0)，则^=I log。n I+1(1

的最小整数)，需要协商的密钥个数为尼【· 呱一．1。因

此，构成的完全二叉树高度为五=厂log，，z]+1，需要

协商的密钥数目为2扛1—1 >1)。

10 1l

12 13

14 15 16

现假设有16个组成员，按照失效概率从小到大

图7单域群组密钥分发逻辑密钥树结构

· 1013·

万方数据

通信技术

4用户加人LKH树，如图8所示：具体地，节

醐蚴偷组秘钥

点o、M、I、B等4个节点接收到密钥，加入LKH树。

未变化

变

÷ 变Q I

确俞庀

未忌旧

、

一岔

太

绅戊员{么舀江√▲√ √ 么么么

图lo去除成员的4LKH树

对于LKH的性能分析如图1l所示，给m了时

延与用户数的关系，并对LKH树和常规FLAT方式

进行了对比：

LKH树组密钥更新如图9所示。在LHK方案

中，如果一个组成员离开，组播密钥的更新过程为：

①对这个组成员到根节点路径上的所有密钥进行更

新；②更新完成后，主节点向其他所有组成员发送

组成员对应路径上进行更新了的密钥。事实上，如

果组用户数量为Ⅳ，在不使用LKH的情况下，组

播密钥分发开销及加密开销为Ⅳ。通过使用LKH，

可以将通信开销及加密开销降低为D(109J7v)，这是

以牺牲系统的密钥存储开销换来的。若密钥树的度

为后，树的高度为五似>o)，则每个组成员需要存

c=_密。_钥更新：_消鞘一_崦2、1j■1—广1一歹

广

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二

二：：工二：i

二

用户数x 10‘

储的密钥数为^=I log。Ⅳ1+1：在LKH方法的基

础上，可以对密钥树进行优化，以进一步降低终端

图11 LKH的性能分析

组密钥存储量、系统通信开销以及针对大量终端的

加／解密开销。图9中节点0开始更新组秘钥，但

节点M、N密钥未发生变化。

4结语

5G网络具备高数据率、低时延的特点，适合

车联网和无人驾驶汽车。安全和隐私在车联网和无

人驾驶汽车中是关键问题。本文设计了一个分布式

的安全和隐私保护解决方案，构建了智能传输系统

隐私框架，给}十{了安全组通信分布式模型，提出了

组播密钥管理逻辑二叉树模型，构建逻辑二叉树生

成、更新、新用户加入、用户删除的方法，同时阐

述了其对5c网络的低代价影响。

参考文献：

DflLl(．Pur．J(1hn R．The

【11

Sybil Attack[M】．Peer—to—peer

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冈9 I．KH树组密钥更新

ABBAS

S，ME R ABTI

a1．

【21

M，LLEWELLYN D，et

LKH树，如图10所示。随着节

去除成员的4

Attack Detecti()n in

Lighlweight Sybil

MANETs[J】．

点0、M、I、B等4个节点更新了密钥，用户4被

踢出LKH树。

IEEE

Svstems Journal，20l3，7f021：236—248．

Y U

f3I

B，XU

Z，XIA0 B．Detecting Syb订Attacks

· 1 014·

万方数据

第50卷

冯中华，曾梦岐，陶建军：5G时代车联网安全和隐私问题研究

of Parallel and Distributed

第5期

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G，Shen Z，Miao C，et

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Puzzles as

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Sybil Defenses[C】．

6th IEEE International Conference on Peer—to—Peer

Computing，2006：171—176．

作者简介：

ZHOU

T，CHOUDHURY R。NING P．P2DAP—Svbil

冯中华(198卜)，男，硕士，工程师，

主要研究方向为信息安全；

Attacks Detection in Vehicular Ad Hoc

Networks[J]．

IEEE

Journal

Selected Areas in Communicatio

曾梦岐(198l一)，男，硕士，工程师，

主要研究方向为信息安全；

ns，2011，29(03)：582—594．

CHANG

Y，ZHU

S，QI

H，Footprint：Detecting Sybil

陶建军(1981一)，男，硕士，工程师，

主要研究方向为信息安全。

Attacks in Urban Vehicular of Hidden

Nodes[J]．Neural

Networks and

LeamingSystems，2012，23(02)：365—371．

· 1015·

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