CN110958607A - 一种防止隐私泄露的车联网证书管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防止隐私泄露的车联网证书管理方法，属于车联网领域。本方法结合了长期证书和临时证书，使车辆在车联网中获得了长期有效的身份和在一定范围内使用的临时身份，避免了单一身份造成的不安全因素，同时提高了通信效率。本方法包括三部分：车辆节点的注册，车辆节点在道路上的认证与通信，对恶意节点的防范。本方法使用局部对称密钥和临时证书在车辆行驶过程中实现通信，利用临时证书的保密性和内容少的特性增加了安全性和效率，同时利用较短的局部对称密钥和签名提高了通信的加密解密和相互认证速度。本方法具有普适性，能够广泛的应用于车联网和道路交通中。

Description

一种防止隐私泄露的车联网证书管理方法
技术领域
本发明属于车联网领域，涉及一种高效的防止隐私泄露的车联网证书管理方法。
背景技术
车载自组织网络(VANET)是交通运输领域中移动自组织网络的具体应用，运行中的各个车辆构成了车联网通信的基本节点，并使用新型的无线多跳自组移动通信技术形成网络。车载自组织网络可以被视为是车辆专用的分享信息用平台，车辆可以获取道路信息，交通情况等多种信息。由于在信息资讯、交通、安全等方面的优势，车联网以其在智能交通系统中的重要地位成为了许多研究人员的关注对象。车载自组织网络把车辆作为一个个基础的通信节点，与车联网中基础设施和其他车辆通信。这些通信信息可以发布紧急消息、管理交通、防止交通事故、获得车辆行驶信息等。在保护隐私方面，车辆间的单独通信也可以在车载自组织网络中实现。
为了满足车载自组织网络的安全要求，如隐私保护，信息安全，消息合法性等，每个节点需要在发送消息时附上自己的有效签名。同时，在接收方也需要确保消息真实有效进行认证。在车载自组织网络中，车辆在道路上高速移动，车辆需要在有限的时间内完成通信。也就是说，车联网需要车辆间能进行高效的信息认证。现有的PKI系统的签名无法满足认证时期的效率；而身份验证签名虽然解决了认证效率问题，但为了保证车辆节点隐私所分发的多身份导致无法通过撤销一个违法身份禁止恶意节点在车联网中通信。因此，有必要发明一种安全、高效的车辆管理认证方案。该方案能够广泛地应用于车辆交通之中，并且在提高了认证和通讯效率的前提下保证整个系统的安全性和车辆的隐私性，从而保证使用该车辆管理认证方法能够营造安全高效的车联网通信环境。
发明内容
本发明提供了一种高效的防止隐私泄露的车联网证书管理方法，利用临时证书的保密性和内容少的特性增加了安全性和效率，同时利用局部对称密钥提高了通信的速度，能够广泛的应用于车联网和道路交通中。
一种防止隐私泄露的车联网证书管理方法，该方法所实现的车辆认证包括以下步骤：
第一步，车辆长期身份的生成
在车辆节点注册时，证书授权中心给每一个车辆节点一个唯一的长期证书，含有车辆的真实ID，并在数据库中存储车辆真实ID与车辆信息的映射；
第二步，车辆行驶中的认证
每一个路边单元都持有周期更新的局部对称密钥和同样周期更新包含不对称密钥对的临时证书；在车辆节点经过一个新的路边单元的范围时，车辆节点向该路边单元发送临时证书的申请，路边单元与车辆节点通过各自的长期证书相互认证，认证成功后，车辆节点获得路边单元的对称局部对称密钥和对称加密算法，以后两者发送的所有信息都用该局部对称密钥和对称算法加密；
第三步，车辆匿名身份的生成
在车辆节点和路边单元完成认证后，路边单元开始为车辆生成临时证书。路边单元为车辆节点生成多个临时密钥对(包括临时公钥和临时私钥)、相同数量的临时ID和相同数量的临时证书，每个临时证书包括一个临时ID、一个临时公钥、证书有效期和路边单元用自身的长期证书或者临时证书对应的私钥生成临时签名；路边单元使用车辆节点长期证书的公钥加密临时私钥和临时证书发送给车辆节点，并在数据库存储临时ID、临时证书和车辆节点真实ID的映射；车辆节点获得临时证书和临时私钥后，以后在发送的信息中需要身份认证的部分，就使用临时证书处理；
第四步，车辆节点的通信
车辆节点选取临时证书作为通信的匿名身份，获取其中的临时ID和此临时证书对应的临时私钥，并不定期选取其他临时证书，对临时身份进行更新；在进行通信时，车辆节点使用临时ID和临时私钥进行签名；同时，用获得的局部对称密钥对通信内容和临时ID使用对称性算法进行加密；路边单元和其他车辆节点在接收到信息时，使用局部对称密钥进行解密,向路边单元申请获取通信信息中临时ID映射的临时证书，验证签名合法性；在临时证书到期后或驶入新的路边单元范围，车辆节点重复第二步到第四步内容，获取匿名身份，进行通信；
第五步，防范恶意节点
当车辆节点被路边单元标记为恶意节点时，路边单元通过此恶意节点的临时ID获取其临时证书并在数据库找到此临时证书映射的真实ID；并将此真实ID通过安全的通信方式告知证书授权中心；证书授权中心撤销其长期证书，使车辆无法与路边单元完成相互验证并获取用于通信的局部对称密钥，无法加入整个系统；并在证书授权中心的数据库中找到此真实ID和车辆节点的映射关系，将车辆节点举报给相关部门。
具体的将上述方案分为三部分：车辆节点的注册，车辆节点在道路上的认证与通信，对恶意节点的防范。
第一部分，车辆节点的注册
1.1每一部车辆在加入系统时，车辆信息将会被登记在数据库中，并由证书授权中心(Certificate Authority，CA)分配一个唯一的长期PKI证书代表这个车辆的身份，并将长期证书与车辆信息的映射关系储存于数据库中。在本方案中，有且仅有证书授权中心能够对应长期证书和车辆节点，保证了车辆信息的隐私性。
1.2车辆节储存自己的长期PKI证书，完成车辆节点的注册。
第二部分，车辆节点在道路上的认证与通信
2.1车辆节点在行驶中接收到路边单元发送的打招呼信息时，车辆首先检验消息的时间戳，验证消息。通过时间戳校验后，车辆节点校验该路边单元的证书和签名来查明其是否为合法的路边单元。无法通过校验将丢弃该消息。
2.2如果校验通过，车辆节点检查其是否为新的路边单元。如果是，车辆节点向其发送获取局部对称密钥的请求和车辆真实ID，并用路边单元的公钥加密。
2.3路边单元接到请求后，使用自身的私钥解密消息，然后验证消息的时间戳。通过验证后，验证车辆节点的长期证书是否合法，并验证其签名的合法性和此证书有无被撤销。无法通过上述验证则将消息丢弃。每一个路边单元都持有周期更新的局部对称密钥和同样周期更新包含不对称密钥对的临时证书，路边单元按周期更新自己的局部对称密钥和包含不对称密钥对的临时证书，以增加系统的安全性。
2.4通过验证后，路边单元使用车辆节点长期证书中的公钥加密局部对称密钥和相应的对称加密算法并发送给车辆节点，对称加密算法包括但不限AES、DES、3DES。车辆节点使用对应的私钥解密信息并获得局部对称密钥和对称加密算法，在相互认证后的通信使用局部对称密钥进行。
2.5在发送局部对称密钥后，路边单元需要生成短期证书并发送给车辆节点。路边节点首先为车辆节点生成多对由临时公钥和临时私钥组成的临时密钥对。同时路边节点随机生成相同数量的临时身份信息(数字ID)。
2.6路边单元生成多个临时证书，每个临时证书包含有一个临时公钥、一个临时ID、证书有效期和路边单元用自身的长期证书或者临时证书对应的私钥生成的临时签名。并为映射的临时私钥生成编号。路边单元将临时证书和临时私钥使用车辆节点长期证书中的公钥进行加密后传送给车辆节点，并在数据库存储临时ID、临时证书和车辆节点真实ID的映射。
2.7车辆节点在接到信息时，使用自身长期证书映射的私钥解密并获得临时证书和临时私钥。使用路边单元长期证书中的临时公钥校验证书中的签名。在验证通过后，车辆节点选取其中一份临时证书和临时私钥，使用临时证书中的临时ID作为车辆匿名身份。车辆在行驶过程中不定期更换临时证书，使用不同的匿名身份，防止因长期使用同一身份信息而被跟踪。
2.8车辆节点在通信时，首先使用临时证书对应的临时私钥签名。车辆节点使用临时私钥加密车辆匿名身份完成签名。并将车辆的匿名身份和发送的内容使用局部对称密钥加密后发送。
2.9其他车辆节点在接收信息时首先验证时间戳，随后使用局部对称密钥解密通信信息。接收方获得此信息发送方的匿名身份后，向路边单元申请获得此匿名身份映射的临时证书。在获得临时证书后，使用临时证书中的公钥解密通信信息中的签名，验证其是否为发送方的匿名身份，完成身份校验。车辆节点在通信时更换使用不同的临时证书和匿名身份，防止因为相同的公钥或相同的匿名身份被跟踪。本发明使用较短的局部对称密钥和不对称密钥对，并将对成性算法和非对称性算法结合，提高了通信效率；使用数字签名技术保证了通信安全。
2.10在车辆节点的临时证书过期或车辆节点驶入新节点时，重复2.1到2.9的步骤。
第三部分，对恶意节点的防范
3.1路边单元获取恶意通信内容，将此匿名身份标记为恶意节点。
3.2路边单元通过恶意通信内容的匿名ID在数据库中找到其映射的的临时证书。路边单元使用临时证书中的公钥解密通信信息中的签名，验证其是否为发送方的匿名身份。完成验证后在自身数据库中找到此公钥对应的汽车的真实ID。在获得恶意节点的真实ID后将真实ID发送给证书授权中心。
3.3证书授权中心撤销车辆的长期证书，使车辆无法完成与路边单元的相互认证，从而无法获得新的局部对称密钥，无法重新加入系统网络。维护了整个管理系统的安全。并在数据库中找到与车辆真实ID映射的车辆信息，披露给有关部门。
本发明的有益效果为，临时证书具有随机性，私密性和短期时效性，无法从通信中的临时ID对应相应的车辆，并且在证书中包含的路边单元的签名保证了临时证书无法被伪造，从而极大的提高了车辆的通信安全。
路边单元为车辆分配的临时身份有多个，分别对应不同的临时密钥对对和临时ID；车辆节点在行驶过程中可以随时更换匿名身份，防止了车辆被跟踪等不安全现象。
在通信中，车辆节点使用的局部对称密钥具有密钥短，加密解密快的性质；临时密钥对和临时ID生成的临时签名在保证安全的前提下缩短了身份验证的时间。本发明契合车联网的通信需求，有效的提高了车联网的通信效率。
车辆节点通信中的临时签名具有加密解密时间短，保证了通信的安全性和效率，保障了本系统内车辆的信息安全。
附图说明
图1是汽车节点和路边单元相互认证建立连接的流程图。
图2是生成临时证书的示意图。
图3是汽车通信并验证签名的流程图。
图4是吊销恶意节点证书的流程图。
图5是本方法的整体流程图。
具体实施方式
1.车辆在证书授权中心注册，获得长期证书,其中包含车辆的真实ID。证书授权中心存储车辆真实ID和车辆信息的映射。
2.车辆节点每行驶入新的路边单元范围，识别新的路边单元，并与路边单元相互验证，如图1所示。
3.路边单元随机生成车辆的多个短期身份信息和匹配数量的临时密钥对(包含公钥和私钥)。路边单元生成与临时密钥对数量相同的临时证书(见图2)。路边单元使用车辆长期证书中的公钥加密临时证书和短期身份信息后发送给车辆。
4.车辆节点使用自身私钥解密后获得短期身份信息和临时证书。车辆节点在多个临时证书中选取一个作为随机身份，并不定期更换临时证书更新身份。如图3所示，车辆节点使用临时私钥和匿名ID加密信息生成签名，与其他节点通信,其他节点在解密通信内容后获得广播信息和发送方临时公钥验证签名。
5.当发现恶意节点时，如图4所示，路边单元通过车辆节点的短期证书找到其真实ID证书，并将车辆真实ID发送到证书授权中心。
6.证书授权中心撤销此ID的长期证书。并通过ID找到车辆信息，披露给相关部门。

Claims (2)

1.一种防止隐私泄露的车联网证书管理方法，其特征在于，该方法所实现的车辆认证包括以下步骤：
第一步，车辆长期身份的生成
在车辆节点注册时，证书授权中心给每一个车辆节点一个唯一的长期证书，含有车辆的真实ID，并在数据库中存储车辆真实ID与车辆信息的映射；
第二步，车辆行驶中的认证
每一个路边单元都持有周期更新的局部对称密钥和同样周期更新包含不对称密钥对的临时证书；在车辆节点经过一个新的路边单元的范围时，车辆节点向该路边单元发送临时证书的申请，路边单元与车辆节点通过各自的长期证书相互认证，认证成功后，车辆节点获得路边单元的对称局部对称密钥和对称加密算法，以后两者发送的所有信息都用该局部对称密钥和对称算法加密；
第三步，车辆匿名身份的生成
在车辆节点和路边单元完成认证后，路边单元开始为车辆生成临时证书；路边单元为车辆节点生成多个临时密钥对，临时密钥对包括临时公钥和临时私钥，以及相同数量的临时ID和相同数量的临时证书，每个临时证书包括一个临时ID、一个临时公钥、证书有效期和路边单元用自身的长期证书或者临时证书对应的私钥生成临时签名；路边单元使用车辆节点长期证书的公钥加密临时私钥和临时证书发送给车辆节点，并在数据库存储临时ID、临时证书和车辆节点真实ID的映射；车辆节点获得临时证书和临时私钥后，以后在发送的信息中需要身份认证的部分，就使用临时证书处理；
第四步，车辆节点的通信
车辆节点选取临时证书作为通信的匿名身份，获取其中的临时ID和此临时证书对应的临时私钥，并不定期选取其他临时证书，对临时身份进行更新；在进行通信时，车辆节点使用临时ID和临时私钥进行签名；同时，用获得的局部对称密钥对通信内容和临时ID使用对称性算法进行加密；路边单元和其他车辆节点在接收到信息时，使用局部对称密钥进行解密,向路边单元申请获取通信信息中临时ID映射的临时证书，验证签名合法性；在临时证书到期后或驶入新的路边单元范围，车辆节点重复第二步到第四步内容，获取匿名身份，进行通信；
第五步，防范恶意节点
当车辆节点被路边单元标记为恶意节点时，路边单元通过此恶意节点的临时ID获取其临时证书并在数据库找到此临时证书映射的真实ID；并将此真实ID通过安全的通信方式告知证书授权中心；证书授权中心撤销其长期证书，使车辆无法与路边单元完成相互验证并获取用于通信的局部对称密钥，无法加入整个系统；并在证书授权中心的数据库中找到此真实ID和车辆节点的映射关系，将车辆节点举报给相关部门。
2.根据权利要求1所述的一种防止隐私泄露的车联网证书管理方法，其特征在于，第二步中对称加密算法包括AES、DES或3DES。
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