基于车载网的群组安全通信协议研究

摘要

车载自组网(Vehicularadhocnetworks，VANETs)为车辆之间的通信提供了一个平台，不仅可以提高道路的通行效率，改善旅客的乘车环境，而且可以最大限度地避免交通事故的发生。但与此同时，由于车载自组网的开放性，通信过程很容易受到攻击者的破坏，面临着信息重放攻击、伪造攻击以及篡改攻击等攻击行为，进而影响车载自组网的正常运行，甚至给车辆用户的生命财产造成损失。因此，在设计安全通信方案时需要满足可认证性、隐私性和可追溯性等安全需求，以便保障车载自组网的正常运行。
　　 本文在综合分析已有的车载自组网安全通信方案的基础上，提出了基于双线性对的快速认证协议以及一种可撤销的车辆群组批认证方法，并对方案进行了理论分析和仿真实验。本文主要研究工作概括如下:
　　 (1)提出了一种适合大批车辆进行快速认证的协议，不仅缓解了路边基础设施对车辆进行认证时的计算时延以及信息的传输开销，而且消除了路边基础设施收集众多信息时所需的等待时延。方案通过让一个代理车辆提前收集周边车辆的信息，并对收到的信息进行语法聚合和签名聚合，最后把聚合后的信息发送给路边基础设施进行认证。而路边基础设施利用双线性对机制来对收到的车辆信息进行批认证，避免对车辆信息进行逐个认证时可能发生的数据包丢失现象，由此来实现对大批车辆信息的快速认证。
　　 (2)设计了一个车载自组网中群组的构建方法，并在群组构建的过程中为每个车辆用户生成了一个服务密钥，不仅使得群组中车辆用户可以进行信息共享，而且为车辆用户享受更加安全可靠的服务提供了便利。对于离开群组的车辆，相应的群组密钥更新过程保证了车辆的前后向安全问题。通过理论分析表明所设计的方法具有较低的计算开销以及较高的路边基础设施服务率。
　　 (3)针对车载自组网中可能出现的非法车辆，提出了一个高效的非法车辆撤销方案。车载自组网中的车辆之间在进行相互通信认证之前，首先要查看信息的发送方是否已经被撤销，本文利用布隆过滤器节省空间、查找快速的特性来对非法车辆的信息进行公布，避免使用撤销链表进行非法车辆撤销时，引起的存储开销和查找时延问题，进而保证车载自组网的安全性。
　　 (4)采用交通流仿真工具VanetMobiSim和网络仿真工具NS-2联合对本文所设计的协议进行了仿真实现，并把仿真结果和现有方案的研究成果进行了比较分析，进一步验证本文所设计方案的安全性和可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 本文的主要内容及贡献

1．3 论文结构

第二章 车载网安全通信相关研究

2．1 车载自组网概述

2．1．1 车载网的基本概念

2．1．2 车载网的特点

2．1．3 车载自组网的应用分类

2．2 车载自组网通信方案

2．2．1 基于PKI的方案

2．2．2 基于非完全PKI的方案

2．3 车载自组网攻击模型和安全需求

2．3．1 车载自组网攻击模型

2．3．2 车载自组网安全需求

2．4 小结

第三章 基于双线性对的快速认证协议研究

3．1 研究背景

3．2 快速认证协议设计

3．2．1 系统初始化

3．2．2 车辆与基础设施相互认证阶段

3．2．3 批量信息的认证阶段

3．3 安全性分析

3．4 性能分析

3．4．1 计算开销

3．4．2 传输开销

3．5 小结

第四章 VANET中一种可撤销的车辆群组批认证方法

4．1 研究背景

4．2 模型与目标

4．2．1 系统模型

4．2．2 威胁模型

4．3 预备知识

4．3．1 双线性配对

4．3．2 布隆过滤器

4．4 车载网中群组通信方案设计

4．4．1 系统初始化

4．4．2 车辆认证阶段及密钥协商阶段

4．4．3 群组的构造

4．4．4 群组密钥的更新

4．5 安全性分析

4．5．1 批认证的可行性

4．5．2 隐私性

4．5．3 不可否认性

4．5．4 前后向安全性

4．5．5 可撤销性

4．6 协议性能的理论分析比较

4．6．1 计算开销分析

4．6．2 RSU的有效服务率

4．7 小结

第五章 协议的仿真与实现

5．1 仿真平台简介

5．1．1 交通流仿真器VanetMobiSim

5．1．2 网络仿真工具NS-2

5．2 平均时延的仿真

5．2．1 交通仿真场景的搭建

5．2．2 网络仿真场景的搭建

5．2．3 仿真结果与分析

5．3 小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成的论文和参与的科研项目