CN107086996B - 车联网安全认证装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种车联网安全认证装置及方法，方法包括如下步骤：将传统密码学认证服务与信任评估机制进行有机结合，按照认证执行装置提供的接口实现并挂载到装置上，并通过装置统一接口对外提供调用服务，屏蔽各复杂认证算法的实现细节；在感知层车辆节点上部署可信嵌入式安全模块，提供安全能力，并将感知层加密算法组件化；构造集可信终端、密码学认证方法、信任评估系统于一体的认证体系；对底层感知层提供的高安全可信证据因子匹配评估，为上层交通信息服务平台提供认证决策依据。

Description

车联网安全认证装置及方法

技术领域

本发明属于车联网信息安全领域，具体涉及信息安全领域中的身份认证技术。

背景技术

车联网是物联网、计算机、互联网、移动通信等相关技术和功能集成应用在交通领域的典型产物，其具备的通信体系结构以及关键技术相比其他通信网络具有普遍的共性以及一定的差异性特征。

车联网中涉及到的通信实体包括：车辆节点、路测基础设施和交通信息服务平台。从车联网体系结构的角度分析各自实体的职责为：在感知层，车辆节点和路测基础设施通过集成多种智能车载系统(e.g.信息采集系统、人机交互接口、控制单元、无线通信设备等)完成路网信息感知和交互分享；在网络管控层，蓝牙、Wi-Fi、DSRC(Dedicated Short RangeCommunications)、蜂窝网等多种无线通信技术和基础网络设施技术协同完成信息传输和导向；在应用层，交通云平台利用数据挖掘、云计算等技术处理分析感知数据，为交通信息服务平台提供决策支撑，进而更好地管控路况。

车联网的蓬勃飞速发展为人们生活带来了极大的便利，但是对多种感知技术、无线通信技术、计算机技术和控制技术的依赖，以及拓扑结构自主快速变化的特性，使车联网中的车辆节点容易面临更多更复杂的网络攻击，增加了安全防护的难度。虽然，在开放的环境中，认证技术能够有效地验证车辆节点身份的合法性，防止网络中的假冒、篡改、否认等攻击，进而维护安全有秩序的网络环境。但是，车联网中客观存在的多种通信场景和多样化车载应用(e.g.实时性、娱乐性、咨询性、安全性应用)，以及实时性、轻量型、集成型等不同安全需求，使得面向应用、面向通信场景的高层认证协议越来越层出不穷、多样化、精细化(如图1)。例如：传统认证协议，通过密码技术使得一个节点向另一个节点证明是否掌握了正确的密钥或口令等证据，以公钥基础设施(PKI)认证体系最为广泛使用。在车联网环境中，研究者一般根据不同的应用场景个性化定制、改进原有密码学认证协议，或者引入新的评估体系，主要涉及到预共享密钥、公钥改进、基于ID的密码系统(IDE)、公钥机制结合IDE、信任评估模型、硬件认证、生物识别等方法。

以上各种认证方式都具有不同的优缺点，适用于某种特定的应用场景。这就需要在车联网中的实体上部署多种认证方法，为不同的车载应用以及应用场景提供差异化的认证服务。而且，随着车联网研究、部署力度的进一步加大，有望不断推出新的车载应用和通信场景，对认证服务的需求也将随之灵活地变化。

当前车联网安全面临的主要问题是：复杂的通信环境使单一的认证机制无法满足不同场景对安全和服务质量的差异性需求。为解决相关问题，本专利立足研究并设计车联网安全认证装置及方法，为不同的通信场景的识别与差异化认证方法的调用提供理论框架。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对车联网中多种通信场景的不同强度认证方法需求，以及现有的强调某单一侧面的认证方法应用于车联网不同场景存在的缺陷，设计一种装置抽象各种认证协议的实现方法，负责承载、驱动各种认证协议算法或软件，以便为车联网不同通信场景提供调用某种个性化认证算法的认证统一承载服务。利用应用与服务能力隔离的思想和技术实现各种认证算法和实际应用场景安全需求的有效分离，提供认证统一服务装置以实现承载、屏蔽底层各种认证算法，以统一服务接口的形式向上层各通信场景提供个性化认证服务功能。

本发明的技术方案如下：

一种车联网安全认证装置，包括位于感知层的车辆节点，所述车辆节点搭载电子控制单元、环境感知模块及无线通信模块，其还包括认证执行装置，其中所述车辆节点上还集成有嵌入式安全模块，所述嵌入式安全模块包括安全执行引擎和加密算法库，用于加载各种认证协议文本的运行，所述加密算法库用于提供基础的加密解密能力；

所述认证执行装置，包括密码学认证模块、信任评估阈值判定模块、认证执行支持模块及认证统一服务接口模块；其中，所述密码学认证模块，用于将加密算法封装为可供调用的核心库，通过认证协议引擎驱动各种认证协议文本，并完成车辆身份的验证，生成并更新临时加密密钥；信任评估阈值判定模块，根据感知层车辆节点提供的自身属性、感知信息，以及车辆节点历史交互信息，综合评估车辆节点面向服务时的信任值；认证执行支持模块，用于对认证信任评估阈值判定模块提供支持；认证统一服务接口模块，用于提供认证服务请求接口。

进一步的，所述加密算法包括DES(Data Encryption Standard,数据加密标准)、AES(Advanced Encryption Standard,高级加密标准)、RSA (Rivest-Shamir-Adleman,公开密钥密码体制)、属性加密算法、PKI密钥体系在内的算法。

进一步的，所述密码学认证模块的安全运行环境为密码学安全核心库及安全认证协议引擎，信任评估阈值判定模块的安全运行环境为安全交通云计算体系，所述认证统一服务接口模块应用于不同场景的交通信息服务平台系统，包括交通出行信息调度、动态车辆导航诱导、紧急事件救援服务、自动电子收费服务以及其他ITS服务子系统。

进一步的，所述认证统一服务接口模块结合节点三维地理位置信息、节点运动信息和目标节点身份为通信场景鉴别提供判断依据，作为节点向认证执行装置请求调用服务接口的参数。

一种基于所述装置的车联网安全认证方法，其包括如下步骤：

S1：在构建感知层可信终端的基础上，设计集密码学身份认证模型、信任评估阈值判定行为认证模型于一体的综合认证体系，为车联网环境中不同通信场景的不同安全等级需求提供认证服务；

S2：将安全感知层、认证执行控制层和认证决策应用层的共性安全加密算法，进行组件化，模块化；

S3：认证协议引擎抽象应用于密码学身份认证模型中的各种认证协议文本，以统一接口的形式加载各种认证协议文本；

S4：设计信任评估阈值判定行为认证模型，根据车辆节点的违规行为、驾驶恶习和车辆节点之间的交互行为完成车辆节点的行为认证；

S5：认证统一服务接口，屏蔽各种认证算法实现并将其虚拟化成服务，为上层不同的通信场景提供统一接口调用个性化认证服务；

S6：场景识别认证服务主动识别通信场景，认证执行装置根据场景自适应选择个性化的认证服务。

进一步的，所述加密算法包括对称加密算法、非对称加密算法、单向加密算法、属性加密算法、PKI体系加密算法。

进一步的，所述场景识别认证服务主动识别通信场景的步骤包括：认证执行装置对节点请求通信认证的场景进行分析判定，根据场景特点选择认证算法对节点身份进行合法性判定，通信场景需要高安全等级的认证服务，则需要多种不同强度认证方法进行多重判定。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明从身份认证和信任行为认证两个方面启发式地设计安全保障方案，为车联网的多种通信场景设计了安全认证方案理论框架，蔽各种认证算法的实现并将其虚拟化成服务，并为上层不同的通信场景提供统一接口调用个性化认证服务，维护场景与认证算法的匹配库，旨在当车辆节点在不同的通信场景中切换时，自适应地选择认证方法，以满足不同通信场景对认证服务的安全性和服务质量的差异化需求。

本发明启发式地设计了场景识别装置主动识别通信场景，并根据场景特征以及节点特征自适应选择个性化的认证服务。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例划分的车联网中存在的多种认证场景；

图2是本发明划分的车联网中认证方法设计层次图；

图3是本发明的一种车联网环境中认证方法及装置设计结构图；

图4是本发明为识别通信场景划分的额外标识字段示意图；

图5是本发明的认证装置识别通信场景完成认证的流程图；

图6是本发明的认证装置识别通信场景的识别匹配示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

如图2所示为本发明划分的车联网中认证策略设计层次图，本发明定义的认证策略设计层次为：安全感知层、认证执行控制层、认证决策应用层，其中：

安全感知层：认证策略设计三层结构的底层。由嵌入式安全开发者完成。将封装了加密算法组件的可信安全模块嵌入到在车辆节点上，从而，构建高安全的感知层，采集并向上层提供高可信的感知数据。

认证执行控制层：认证策略设计三层结构的中层。由装置的逻辑开发者完成。为上层提供认证统一服务调用接口，为承载不同认证方法提供统一编程接口。通过获取底层感知数据，根据节点不同通信场景应用，提供个性化的认证服务，并提供相应的认证逻辑处理、算法调度策略、认证执行环境等控制结构。

认证决策应用层：认证策略设计三层结构的顶层。由上层调用者(e.g.交通信息服务平台各系统的开发者)根据不同通信场景调用认证执行控制层获得决策依据，实现车辆节点与交通服务平台以及车辆节点之间等通信场景的认证。

如图3所示为一种车联网环境中认证方法设计总体结构图，其包括如下层次及模块：

1.感知层车辆节点：车联网中车辆节点通常搭载电子控制单元(ECU)、环境感知模块(Sensor)、无线通信模块(OBU：On-board Unit)，本发明通过集成嵌入式安全模块为车辆节点提供安全能力和算法安全功能，构成感知层的安全执行引擎和算法核心库，同时为上层认证执行装置提供安全可靠的感知数据以及智能车载系统运行环境的完整性报告，以支撑认证执行装置更可靠地完成认证工作。

2.认证执行装置：安全运行环境，包括密码学认证方法模块、信任评估阈值判定方法模块以及认证统一服务接口模块。

21：密码学认证服务模块的安全运行环境为密码学安全核心库及安全认证协议引擎，将安全算法(e.g.DES、AES、RSA、属性加密算法、PKI密钥体系等)封装为可供调用的核心库，通过认证协议引擎驱动各种认证协议文本，在该安全运行时环境之上，包含车辆节点身份认证协议、密钥服务、安全上下文服务、属性服务等模块。车辆节点身份验证协议模块司职完成车辆节点真实身份以及临时匿名身份的合法性，密钥服务模块负责为身份验证协议模块生成临时加密密钥以及密钥更新操作。

22：信任评估机制模块的安全运行环境为安全交通云计算体系，在该安全运行时环境的基础上，包含信任评估工作流(信任建模)、信任阈值动态更新服务以及信任扩展等模块。信任评估工作流根据感知层车辆节点提供的自身属性、感知信息，以及交通云平台根据上下文环境提供的车辆节点历史交互信息，综合评估车辆节点面向服务时的信任值。信任建模在实现的角度上具有相似性和多样性特征，信任扩展模块能够为信任建模模块加装可扩展计算因子或组件。

3.认证执行支持：包含安全隔离存储、风险管理及规范体系、系统各组件工作日志、安全事件定义、安全事件解析与集成、车辆节点黑白名单。

4.认证统一服务接口模块：应用于不同场景的交通信息服务平台系统 (e.g.交通出行信息调度、动态车辆导航诱导、紧急事件救援服务、自动电子收费服务以及其他ITS服务子系统等)通过认证统一服务接口请求认证服务。各款车载应用发出的消息中(e.g.自定义消息、警报消息、防撞消息、探测消息)，其消息体中msgID作为消息类别ID，可以鉴别应用系统的适用场景，通过设置消息体中自由填充项字段，从而完成不同场景对不同认证算法服务的调用。

5.针对车联网中不同通信场景对差异性认证的需求，图3从层次架构的角度上展示本发明的认证执行装置思想，具体解释为如结构图所示的一种在原有密码学认证算法的基础上，构建感知层车辆节点的可信平台，组件化加密算法，并有机结合信任评估机制，为上层调用提供统一服务接口，从而构造集可信终端平台和多维度认证执行平台于一体的认证体系。并以车辆节点与交通信息服务平台以及车辆节点之间的通信场景举实施例。

如图4所示是识别通信场景划分的额外标识字段示意图，包括如下内容：

车联网支持IPV6-TCP/UDP和WSMP(Wave Short Message Protocol)双栈传输协议，因此，在车联网的应用层不仅支持传统基于TCP或UDP通信的应用(e.g.娱乐、资讯、安全等应用)，还支持基于WSMP通信的应用(e.g. 紧急警报、路口防碰撞、探测车辆等交通安全应用)。

鉴于各种应用的消息格式表述不尽相同(见标准SAE J2735)，仅简单地根据消息msgID字段鉴别场景不具说服力，故本发明提出结合节点三维地理位置信息(Position)、节点运动信息(Motion)和目标节点身份(TargetID) 为通信场景鉴别提供判断依据，作为节点向认证执行装置请求调用服务接口的参数。(其中，SourceID：源节点身份，SecTime：时间)。

如图5所示是本发明认证装置识别通信场景的判断流程图，包括如下内容：认证执行装置对节点请求通信认证的场景进行分析判定，根据场景特点选择合适的认证算法(e.g.一种密码学认证方法，一种节点信任评估方法，两者结合)对节点身份进行合法性判定，以防止后续通信中存在的风险。若通信场景需要高安全等级的认证服务，则需要多种不同强度认证方法进行多重判定。其中通信场景的识别，认证算法的匹配示意图如图6所示。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种车联网安全认证装置，设置于感知层的车辆节点，所述车辆节点搭载电子控制单元、环境感知模块及无线通信模块，其特征在于，包括认证执行装置，其中所述车辆节点上还集成有嵌入式安全模块，所述嵌入式安全模块包括安全执行引擎和加密算法库，所述安全执行引擎用于加载各种认证协议文本的运行，所述加密算法库用于提供基础的加密解密能力；

所述认证执行装置，包括密码学认证模块、信任评估阈值判定模块、认证执行支持模块及认证统一服务接口模块；其中，所述密码学认证模块，用于将加密算法封装为可供调用的核心库，通过认证协议引擎驱动各种认证协议文本，并完成车辆身份的验证，生成并更新临时加密密钥；信任评估阈值判定模块，根据感知层车辆节点提供的自身属性、感知信息，以及车辆节点历史交互信息，综合评估车辆节点面向服务时的信任值；认证执行支持模块，用于对认证信任评估阈值判定模块提供支持；认证统一服务接口模块，用于提供认证服务请求接口，所述认证统一服务接口模块应用于不同场景的交通信息服务平台系统，包括交通出行信息调度、动态车辆导航诱导、紧急事件救援服务、自动电子收费服务以及其他ITS服务子系统，所述认证统一服务接口模块结合节点三维地理位置信息、节点运动信息和目标节点身份为通信场景鉴别提供判断依据，作为节点向认证执行装置请求调用服务接口的参数。

2.根据权利要求1所述的车联网安全认证装置，其特征在于，所述加密算法包括DES数据加密标准、AES高级加密标准、RSA公开密钥密码体制、属性加密算法、PKI密钥体系在内的算法。

3.根据权利要求1所述的车联网安全认证装置，其特征在于，所述密码学认证模块的安全运行环境为密码学安全核心库及安全认证协议引擎，信任评估阈值判定模块的安全运行环境为安全交通云计算体系。

4.一种基于权利要求1所述装置的车联网安全认证方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在构建感知层可信终端的基础上，设计集密码学身份认证模型、信任评估阈值判定行为认证模型于一体的综合认证体系，为车联网环境中不同通信场景的不同安全等级需求提供认证服务；

S2：将安全感知层、认证执行控制层和认证决策应用层的共性安全加密算法，进行组件化，模块化；

S3：认证协议引擎抽象应用于密码学身份认证模型中的各种认证协议文本，以统一接口的形式加载各种认证协议文本；

S4：设计信任评估阈值判定行为认证模型，根据车辆节点的违规行为、驾驶恶习和车辆节点之间的交互行为完成车辆节点的行为认证；

S5：认证统一服务接口，屏蔽各种认证算法实现并将其虚拟化成服务，为上层不同的通信场景提供统一接口调用个性化认证服务；

S6：场景识别认证服务主动识别通信场景，认证执行装置根据场景自适应选择个性化的认证服务。

5.根据权利要求4所述的车联网安全认证方法，其特征在于，所述加密算法包括对称加密算法、非对称加密算法、单向加密算法、属性加密算法、PKI体系加密算法。

6.根据权利要求4所述的车联网安全认证方法，其特征在于，所述场景识别认证服务主动识别通信场景的步骤包括：认证执行装置对节点请求通信认证的场景进行分析判定，根据场景特点选择认证算法对节点身份进行合法性判定，通信场景需要高安全等级的认证服务，则需要多种不同强度认证方法进行多重判定。

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