CN105812133A - 基于车载短距离通信网的消息认证及群组密钥协商方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于车载短距离通信网的消息认证及群组密钥协商方法，是利用设置于路口处的路侧节点检测信号灯的状态，红灯时，将地理位置信息相同、行驶方向相同的一组车辆组成群组，并通过证书授权中心对群组中的车载节点进行认证，向认证通过的车载节点分发密钥，群组中的车载节点利用分发的密钥通过群组密码的协商过程生成组密码，进而可利用组密码实现车载节点之间的保密通信。本发明利用了V2X网络的特性，如路侧节点的特点、车载节点在红灯亮时处于停止等待状态、各车载节点地位平等等，在V2X网中实现了车载节点的消息认证与群组密钥协商过程，提高了V2X网络的安全性。

Description

基于车载短距离通信网的消息认证及群组密钥协商方法

技术领域

本发明涉及一种基于车载短距离通信网的消息认证及群组密钥协商方法，属于车载通信网技术领域。

背景技术

车载短距离通信(VehicletoX：V2X)网络是通过无线通信、GPS/GIS、传感等短距离通信技术实现的车内(CAN-ControllerAreaNetwork)、车路(Vehicle-2-RSU)、车间(Vehicle-2-Vehicle)、车外(vehicle-2-Infrastructure)、人车(Vehicle-2-Person)之间的通信。

V2X作为一种以不断移动中的车辆为核心节点的无线移动网络，具有拓扑结构快速变化的特点，尤其是其通信媒质的开放导致信道安全性较差，相比传统网络更易遭受攻击。同时，由于V2X是未来智能交通系统(ITS)的核心，涉及到安全和自动驾驶等高安全性应用，相对传统网络，其安全性带来的损失会更大，因此，V2X对安全性提出了更高的要求。

消息认证是开放环境下保证各种信息系统安全的重要技术，其可保证开放信道中传输的数据具有保密性、完整性、不可否认性和可用性。在V2X网络中应用消息认证技术可实现车载节点之间的安全通信，消息认证之前要将密钥分发给各个车载节点，如果利用路侧节点直接发布密钥，存在较大的安全隐患，很可能造成密钥的泄露。

采用群组密钥协商方法可以解决密钥分发的问题，但是，由于V2X网络的特性，如车辆处于不断变化状态，车载节点彼此之间的相对位置不稳定，经过路侧节点的时间很短等，在V2X网络中实现消息认证和群组密钥协商仍然面临着较大的挑战。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种基于车载短距离通信网的消息认证及群组密钥协商方法，该方法是利用V2X网络的特性，在V2X网络中实现了消息认证及群组密钥协商过程，保证了车载节点之间的保密通信。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于车载短距离通信网的消息认证及群组密钥协商方法，包括如下步骤：

S1：路侧节点检测到红灯亮，向停止状态的车载节点发送包括群组标识码、地理位置信息、红灯禁行方向的群组标识消息，具有相同地理位置信息及行驶方向的N个车载节点组成群组；

S2：群组中的车载节点向路侧节点发送申请认证消息，路侧节点通过证书授权中心验证车载节点的证书合法性；

S3：路侧节点向通过认证的车载节点V_i发送分发密钥消息(n，g，h，S_i)其中，(n，g，h)是公共信息，S_i是向车载节点V_i分发的密钥，

n＝p₁*p₂，p₁和p₂是路侧节点选择的大素数，g是的一个元，

h是哈希函数，EVIN_i＝h(VIN_i)，d是路侧节点的密钥，VIN_i是车载节点V_i的唯一标识，i＝1，2，……，N；

S4：车载节点V_i收到分发密钥消息(n，g，h，S_i)，利用随机函数生成随机数x_i，然后利用公共信息及分发的密钥，计算A_i和B_i，其中，

$A_i=S_i\·g^{{2x}_i}\left(\mathrm{mod}n\right),B_i=g^{{3x}_i}\left(\mathrm{mod}n\right)$

车载节点V_i向周围节点广播群组协商消息，该群组协商消息包括群组标识码及生成的A_i、B_i；

S5：车载节点V_i接收到群组中车载节点V_j广播的群组协商消息后，通过计算验证车载节点V_j的合法性；其中，j＝1，…N，i≠j。

S6：车载节点V_j验证通过，车载节点V_j计算本节点与车载节点V_j之间的互密钥并进一步计算出群组中所有车载节点与本节点之间的互密钥的最小公倍数lcm_i；

S7：车载节点V_i利用随机函数生成随机数k_i，然后计算crt_i＝k_imodlcm_i，并向周围节点广播协商密码消息，该协商密码消息包括群组标识码及生成的crt_i；

S8：车载节点V_i接收到群组中车载节点V_j的协商密码消息后，利用车载节点V_j的crt_j，计算k_j＝crt_jmodm_ij；

S9：车载节点V_i接收到群组中所有车载节点的协商密码消息后，计算 $\mathrm{GK}=k_1\⊕k_2\⊕......\⊕k_N$ 获得最终的组密钥。

进一步的，

所述步骤S2具体包括：

车载节点V_i向路侧节点发送申请认证消息，该申请认证消息包括自身的唯一标识及相应的证书等信息；

路侧节点收到车载节点V_i的申请认证消息，向证书授权中心申请认证，由该证书授权中心通过车载节点V_i的唯一标识认证其证书的合法性。

有新加入车载节点V_m加入群组时：

S21：新加入车载节点向路侧节点发送申请认证消息，路侧节点通过证书授权中心验证新加入车载节点的证书合法性；

S22：新加入车载节点认证通过，路侧节点向新加入车载节点发送同意加入群组的分发密钥消息(n，g，h，S_m)，且该同意加入群组的分发密钥消息包括群组标识码；

S23：新加入车载节点收到同意加入群组的分发密钥消息，利用随机函数生成随机数x_m，利用公共信息及分发的密钥，计算A_m和B_m，然后向周围节点广播群组协商消息，该群组协商消息包括其群组标识码及生成的A_m、B_m；

S24：群组中的车载节点收到新加入车载节点的群组协商消息，通过验证新加入车载节点的合法性；

S25：新加入车载节点通过验证后，群组中距离新加入车载节点最近的车载节点计算其组密钥GK的哈希值h(GK)，将计算出的h(GK)、以及群组中各车载节点的B₁B₂......B_N发送给新加入车载节点；

S26：新加入车载节点利用收到的B₁B₂......B_N计算其与群组中车载节点的互密钥，并计算出各互密钥的最小公倍数lcm_m，之后，利用随机函数生成随机数k_m，计算出crt_m＝k_mmodlcm_m，然后向周围节点广播协商密码消息，该协商密码消息包括群组标识码及生成的crt_m；

S27：群组中的车载节点接收到新加入车载节点的协商密码消息，利用crt_m，计算出k_m＝crt_mmodm_im，然后通过计算获得新的组密码。

群组中的车载节点采用泛洪方式沿行驶方向转发新加入车载节点的协商密码消息。

本发明的优点在于：

本发明利用了V2X网络的特性，如路侧节点的特点、车载节点在红灯亮时处于停止等待状态、各车载节点地位平等等，在V2X网中实现了车载节点的消息认证与群组密钥协商过程，实现了车载节点之间的保密通信，提高了V2X网络的安全性。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

V2X网络中，车载节点定期广播包括自身唯一标识、地理位置信息、行驶方向等信息的心跳信息，同时，车载节点接收周围节点的心跳信息，可实现与其通信范围内的车载节点实现通信。在城市道路中，路侧节点安装于路口等车流量大的位置，具有安装位置高、覆盖范围大、高带宽可靠连接等特点。

图1是本发明的方法流程示意图。如图所示，本发明的基于车载短距离通信网的消息认证及群组密钥协商方法，包括以下步骤：

1、路侧节点检测到红灯亮，向停止状态的车载节点广播群组标识消息，该群组标识消息包括群组标识码、地理位置信息、红灯禁行方向等信息；

2、车载节点收到该群组标识消息，将自身的地理位置信息、行驶方向分别与群组标识消息中的地理位置信息、红灯禁行方向相比较，若两种信息均一致，车载节点将群组标识消息中的群组标识码保存于本地；

3、所有保存了相同群组标识码的车载节点组成群组；

4、群组中的任意车载节点V_i向路侧节点发送申请认证消息，该申请认证消息包括自身的唯一标识VIN及相应的证书等信息；

5、路侧节点收到车载节点V_i的申请认证消息，向证书授权中心(CA：CertificateAuthority)申请认证，由证书授权中心通过车载节点V_i的唯一标识认证其证书的合法性；

6、证书授权中心通过车载节点V_i的认证后，路侧节点向车载节点V_i发送分发密钥消息(n，g，h，S_i)，其中，(n，g，h)是公共信息(所有车载节点的公共信息相同)，S_i是向车载节点Vi分发的密钥，且满足：

n＝p₁*p₂，p₁和p₂是路侧节点选择的大素数，g是的一个元，是模为n的既约剩余类，

h是哈希函数，d是路侧节点的密钥(由CA中心分配)，

EVIN_i＝h(VIN_i)，VIN_i是车载节点V_i的唯一标识；

7、车载节点V_i收到分发密钥消息(n，g，h，S_i)，车载节点V_i利用随机函数生成随机数x_i，然后利用公共信息及分发的密钥，计算A_i和B_i，其中，

$A_i=S_i\·g^{{2x}_i}\left(\mathrm{mod}n\right),B_i=g^{{3x}_i}\left(\mathrm{mod}n\right)$

8、车载节点V_i向周围节点广播群组协商消息，该群组协商消息包括其群组标识码及生成的A_i、B_i；

9、车载节点V_i接收本群组中车载节点V_j广播的群组协商消息，车载节点V_i通过验证车载节点V_j的合法性；

其中，设N是群组中车载节点的总数，且i＝1，2，……，N，j＝1，2，……，N，i≠j。

10、车载节点V_j验证通过，车载节点V_i计算本节点与车载节点V_j之间的互密钥 $m_{\mathrm{ij}}=B_j^{x_i}\mathrm{mod}n;$

11、车载节点V_i计算本群组中，所有车载节点与本节点之间的互密钥的最小公倍数lcm_i；

12、车载节点V_i利用随机函数生成随机数k_i，然后计算crt_i＝k_imodlcm_i，并向周围节点广播协商密码消息，该协商密码消息包括群组标识码及生成的crt_i；

13、车载节点V_i接收到本群组中车载节点V_j的协商密码消息后，利用车载节点V_j的crt_j，计算k_j＝crt_jmodm_ij；

14、车载节点V_i接收到群组中所有其他车载节点的协商密码消息后，通过计算获得最终的组密钥。

最终，群组中所有的车载节点均获得组密钥GK，并可利用该组密钥实现群组中车载节点之间的保密通信。

考虑到有新节点请求加入群组的情况，对于新加入车载节点V_m，本发明采用以下方法处理：

21、新加入车载节点V_m向路侧节点发送申请认证消息，该申请认证消息包括新加入车载节点的唯一标识及对应的证书；

22、路侧节点通过证书授权中心认证新加入车载节点的证书合法性；新加入车载节点认证通过后，路侧节点向新加入车载节点V_m发送同意加入群组的分发密钥消息(n，g，h，S_m)，且该同意加入群组的分发密钥消息中包括群组标识码；

23、新加入车载节点V_m接收到同意加入群组的分发密钥消息，利用随机函数生成随机数x_m，然后利用公共信息及分发的密钥，计算A_m和B_m，随后向周围节点广播群组协商消息，该群组协商消息包括其群组标识码及生成的A_m、B_m；

24同一群组中的车载节点收到新加入车载节点V_m的群组协商消息，通过验证新加入车载节点V_m的合法性；

25、新加入车载节点通过验证后，群组中距离新加入车载节点最近的车载节点计算其组密钥GK的哈希值h(GK)，将计算出的h(GK)、连同群组中各车载节点的B₁B₂......B_N发送给新加入车载节点V_m；

26、新加入车载节点V_m利用收到的B₁B₂......B_N计算其与群组中其它车载节点的互密钥，并计算出各互密钥的最小公倍数lcm_m，然后利用随机函数生成随机数k_m，并计算crt_m＝k_mmodlcm_m，随后向周围节点广播协商密码消息，该协商密码消息包括群组标识码及生成的crt_m；

27、群组中的车载节点接收到新加入车载节点V_m的协商密码消息，利用crt_m，计算出k_m＝crt_mmodm_im，进而通过计算获得新的组密码。

由于车辆处于不断的运动中，新加入车载节点V_m广播的协商密码消息，可能不能到达本群组中的所有车载节点，这时，采用泛洪方式，将该协商密码消息沿车辆行驶方向进行转发，直到本群组中所有车载节点成功接收该协商密码消息为止。

另外，对于有车载节点退出群组的情况，本发明不做特殊处理，群组中剩余的车载节点仍然使用已有的组密码进行加密。

本发明的基于车载短距离通信网的消息认证及群组密钥协商方法，是利用设置于路口处的路侧节点检测信号灯的状态，红灯时，将等待红灯的车辆组成群组，并通过证书授权中心对群组中的车载节点进行认证，向认证通过的车载节点分发密钥，群组中的车载节点利用分发的密钥通过群组密码的协商过程生成组密码，进而可利用组密码实现车载节点之间的保密通信。本发明利用了V2X网络的特性，如路侧节点的特点、车载节点在红灯亮时处于停止等待状态、各车载节点地位平等等，在V2X网中实现了车载节点的消息认证与群组密钥协商过程，提高了V2X网络的安全性。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.基于车载短距离通信网的消息认证及群组密钥协商方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：路侧节点检测到红灯亮，向停止状态的车载节点发送包括群组标识码、地理位置信息、红灯禁行方向的群组标识消息，具有相同地理位置信息及行驶方向的N个车载节点组成群组；

S2：群组中的车载节点向路侧节点发送申请认证消息，路侧节点通过证书授权中心验证车载节点的证书合法性；

S3：路侧节点向通过认证的车载节点V_i发送分发密钥消息(n，g，h，S_i)，其中，(n，g，h)是公共信息，S_i是向车载节点V_i分发的密钥，

n＝p₁*p₂，p₁和p₂是路侧节点选择的大素数，g是的一个元，

h是哈希函数，EVIN_i＝h(VIN_i)，d是路侧节点的密钥，

VIN_i是车载节点V_i的唯一标识，i＝1，2，……，N；

S4：车载节点V_i收到分发密钥消息(n，g，h，S_i)，利用随机函数生成随机数x_i，然后利用公共信息及分发的密钥，计算A_i和B_i，其中，

$A_i=S_i\·g^{2x_i}\left(\mathrm{mod}n\right),B_i=g^{3x_i}\left(\mathrm{mod}n\right)$

车载节点V_i向周围节点广播群组协商消息，该群组协商消息包括群组标识码及生成的A_i、B_i；

S5：车载节点V_i接收到群组中车载节点V_j广播的群组协商消息后，通过计算验证车载节点V_j的合法性；其中，j＝1，…N，i≠j。

S6：车载节点V_j验证通过，车载节点V_i计算本节点与车载节点V_j之间的互密钥并进一步计算出群组中所有车载节点与本节点之间的互密钥的最小公倍数lcm_i；

S7：车载节点V_i利用随机函数生成随机数k_i，然后计算crt_i＝k_imodlcm_i，并向周围节点广播协商密码消息，该协商密码消息包括群组标识码及生成的crt_i；

S8：车载节点V_i接收到群组中车载节点V_j的协商密码消息后，利用车载节点V_j的crt_j，计算k_j＝crt_jmodm_ij；

S9：车载节点V_i接收到群组中所有车载节点的协商密码消息后，计算 $\mathrm{GK}=k_1\⊕k_2\⊕......\⊕k_N$ 获得最终的组密钥。

2.如权利要求1所述的基于车载短距离通信网的消息认证及群组密钥协商方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

车载节点V_i向路侧节点发送申请认证消息，该申请认证消息包括自身的唯一标识及相应的证书等信息；

路侧节点收到车载节点V_i的申请认证消息，向证书授权中心申请认证，由该证书授权中心通过车载节点V_i的唯一标识认证其证书的合法性。

3.如权利要求2所述的基于车载短距离通信网的消息认证及群组密钥协商方法，其特征在于，有新加入车载节点V_m加入群组时：

S21：新加入车载节点向路侧节点发送申请认证消息，路侧节点通过证书授权中心验证新加入车载节点的证书合法性；

S22：新加入车载节点认证通过，路侧节点向新加入车载节点发送同意加入群组的分发密钥消息(n，g，h，S_m)，且该同意加入群组的分发密钥消息包括群组标识码；

S23：新加入车载节点收到同意加入群组的分发密钥消息，利用随机函数生成随机数x_m，利用公共信息及分发的密钥，计算A_m和B_m，然后向周围节点广播群组协商消息，该群组协商消息包括其群组标识码及生成的A_m、B_m；

S24：群组中的车载节点收到新加入车载节点的群组协商消息，通过验证新加入车载节点的合法性；

S25：新加入车载节点通过验证后，群组中距离新加入车载节点最近的车载节点计算其组密钥GK的哈希值h(GK)，将计算出的h(GK)、以及群组中各车载节点的B₁B₂......B_N发送给新加入车载节点；

S26：新加入车载节点利用收到的B₁B₂......B_N计算其与群组中车载节点的互密钥，并计算出各互密钥的最小公倍数lcm_m，之后，利用随机函数生成随机数k_m，计算出crt_m＝k_mmodlcm_m，然后向周围节点广播协商密码消息，该协商密码消息包括群组标识码及生成的crt_m；

S27：群组中的车载节点接收到新加入车载节点的协商密码消息，利用crt_m，计算出k_m＝crt_mmodm_im，然后通过计算获得新的组密码。

4.如权利要求3所述的基于车载短距离通信网的消息认证及群组密钥协商方法，其特征在于，群组中的车载节点采用泛洪方式沿行驶方向转发新加入车载节点的协商密码消息。