CN112584355A - 一种用于车辆间通信的密钥协同方法、系统和介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于车辆间通信的密钥协同方法、系统和介质。所述方法包括：步骤S1、由第一车载系统向第二车载系统发送密钥交换请求，所述请求中包含用于生成所述密钥协同的质数P和整数G；步骤S2、基于所述质数P和整数G，所述第一车载系统生成第一子密钥，所述第二车载系统生成第二子密钥，并将各自的子密钥发送给对方；以及步骤S3、基于所述第一子密钥和所述第二子密钥，所述第一车载系统和所述第二车载系统生成共享密钥，所述共享密钥用于加密所述车辆间的通信，以及验证所述通信的协议。

Description

一种用于车辆间通信的密钥协同方法、系统和介质
技术领域
本发明涉及车辆通信领域，尤其是涉及一种用于车辆间通信的密钥协同方法、系统和介质。
背景技术
智能网联汽车是以LTE-V2X等现代通信技术为基础，包含了车载传感器、控制器、执行器、车载智能终端等装置，能够实现车与车、路、人、云等外部设施的智能信息交换、共享，能够感知周边环境做出决策，辅助驾驶员达到对智能网联汽车的协同控制，逐步实现并最终替代驾驶员实现“安全、高效、舒适、节能”的自动化驾驶。
随着智能网联汽车大力发展的同时，车车通信安全也成为业务关注的焦点问题。智能网联汽车通信协议丰富，包括远程通信技术3G、4G、5G蜂窝网等，短程通信技术WIFI、Bluetooth、RFID、ETC等，窄带通信技术NB-IOT、LORA等，自组织通信技术ZIGBEE、MANET等，通过不同通信协议与其它车辆、交通专网、互联网进行连接。网络传输安全威胁指智能网联汽车终端与外部设备设施的双向数据传输安全威胁，主要存在三大安全风险：一是认证风险，未验证发送者身份信息、伪造身份、动态劫持等；二是传输风险，车辆信息未加密或加密强度不够、密钥信息暴露、所有车型使用相同对称密钥；三是协议风险，通信流程伪装，把一种协议伪装成另一种协议。例如，2015年白帽黑客入侵克莱斯勒公司Uconnect车载系统，以远程指令方式“劫持”正在行驶中的Jeep自由光。2016年宝马车载娱乐系统ConnectedDrive曝出远程操控0day漏洞，恶意攻击者可以借助其中的会话漏洞绕过VIN会话验证获取另一用户的VIN，然后利用VIN接入访问编辑其他用户的汽车设置。
目前，以车载终端安全芯片为核心的安全加固技术，车载终端TBOX或中央网关安装车载安全芯片，并预置公钥密码算法。在车辆售出后，与云端PKI通信，由云端为其生成公钥证书签名。在TBOX生产过程中安装安全芯片，并将公钥密码算法、对称密码算法、摘要密码算法输入到芯片中。车辆售出后，车载终端的密钥系统与云端通讯，云端签名车载端的公钥后，生成车辆的公钥证书，并其发送至车端。基于安全芯片的技术架构如图1所示，车端与其它车辆通信过程中，使用公钥证书验证身份，使用对称密码算法加密数据，使用摘要密码算法，生成摘要数据。然而，以上方法需要在车端安装安全芯片，对于目前绝大多数整车厂、TBOX配套生产厂商，均需要调整其工艺流程，改造生产线，成本极高。同时，当安全芯片发生损坏时，需要更换整个TBOX，更换成本也很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于车辆间通信的密钥协同方案，以解决上述技术问题。
本发明第一方面提供了一种用于车辆间通信的密钥协同方法，所述方法包括：步骤S1、由第一车载系统向第二车载系统发送密钥交换请求，所述请求中包含用于生成所述密钥协同的质数P和整数G；步骤S2、基于所述质数P和整数G，所述第一车载系统生成第一子密钥，所述第二车载系统生成第二子密钥，并将各自的子密钥发送给对方；以及步骤S3、基于所述第一子密钥和所述第二子密钥，所述第一车载系统和所述第二车载系统生成共享密钥，所述共享密钥用于加密所述车辆间的通信，以及验证所述通信的协议。
根据本发明第一方面提供的方法，在所述步骤S2中，车载系统生成与其对应的子密钥具体包括：生成所述共享密钥所需的伪随机数；以及基于所述质数P和整数G，利用所述伪随机数生成所述子密钥。
根据本发明第一方面提供的方法，生成所述共享密钥后，所述第一车载系统和所述第二车载系统共同配置所述共享密钥的有效期和身份认证方式。
根据本发明第一方面提供的方法，其中利用所述共享密钥加密所述车辆间的通信包括：采用SM4对称密码算法来使用所述共享密钥，以加密通信数据；以及采用SM3摘要算法来生成所述通信数据的摘要数据。
根据本发明第一方面提供的方法，其中利用所述共享密钥验证所述通信的协议包括：利用单向散列函数和所述共享密钥来生成所述协议的散列值；以及将所述散列值与对方车载系统的散列值进行比较，若相同，则所述协议安全。
本发明第二方面提供了一种用于车辆间通信的密钥协同系统，所述系统安装于第一车载系统中，具体包括：请求接收单元，被配置为，接收第二车载系统发送的密钥交换请求，所述请求中包含用于生成所述密钥协同的质数P和整数G；子密钥生成单元，被配置为，基于所述质数P和整数G，生成第一子密钥；以及共享密钥生成单元，被配置为，基于所述第一子密钥和来自于所述第二车载系统的第二子密钥，生成共享密钥，所述共享密钥用于加密所述车辆间的通信，以及验证所述通信的协议。
根据本发明第二方面提供的系统，所述子密钥生成单元具体被配置为：生成所述共享密钥所需的伪随机数；以及基于所述质数P和整数G，利用所述伪随机数生成所述子密钥。
根据本发明第二方面提供的系统，所述系统还包括配置单元，被配置为，和所述第二车载系统共同配置所述共享密钥的有效期和身份认证方式。
根据本发明第二方面提供的系统，其中：利用所述共享密钥加密所述车辆间的通信包括：采用SM4对称密码算法来使用所述共享密钥，以加密通信数据；采用SM3摘要算法来生成所述通信数据的摘要信息；以及利用所述共享密钥验证所述通信的协议包括：利用单向散列函数和所述共享密钥来生成所述协议的散列值；将所述散列值与对方车载系统的散列值进行比较，若相同，则所述协议安全。
本发明第三方面提供了一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据本发明第一方面的一种用于车辆间通信的密钥协同方法中的步骤。
上述技术方案的技术效果包括：一、大幅降低商用密码应用成本。由于不需要安装安全芯片，整车厂、配套厂商无需调整工艺流程、生产线，因此可以大幅降低商用密码应用成本。二、提高货运车辆编队中车辆身份认证能力。基于商用密码算法的车车安全通信系统，基于离散对数求解难题，采用SM2等商用密码算法，为加入通信链接的车辆进行身份认证，保障车辆编队通信过程中的身份安全。三、提高货运车辆编队数据安全传输能力。基于商用密码算法的车车安全通信系统，采用SM4对称加密算法加密敏感数据，采用SM3摘要算法为通信数据生成摘要信息，确保数据在编队间安全传输，有效防止外部攻击。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明比较例的基于安全芯片的技术架构图；
图2为根据本发明实施例的用于车辆间通信的密钥协同方法的流程图；
图3为根据本发明实施例的生成共享密钥的流程图；
图4为根据本发明实施例的用于车辆间通信的密钥协同系统的结构图；以及
图5为根据本发明实施例的密钥协商系统架构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明第一方面提供了一种用于车辆间通信的密钥协同方法。图2为根据本发明实施例的用于车辆间通信的密钥协同方法的流程图，如图2所示，该流程始于步骤S1，由第一车载系统向第二车载系统发送密钥交换请求，所述请求中包含用于生成所述密钥协同的质数P和整数G。在一些实施例中，车载系统根据业务需求，利用质数生成器和整数生成器，生成共享密钥所需的质数P与整数G。随后发起密钥交换请求，由第一车载系统向第二车载系统发起共享请求，并将质数P和整数G附加在所述请求中进行发送。
接下来，在步骤S2，基于所述质数P和整数G，所述第一车载系统生成第一子密钥，所述第二车载系统生成第二子密钥，并将各自的子密钥发送给对方。车载系统生成与其对应的子密钥具体包括：生成所述共享密钥所需的伪随机数；以及基于所述质数P和整数G，利用所述伪随机数生成所述子密钥。
在一些实施例中，第一车载系统运行种子密钥生成器，生成种子密钥ka＝Ka。第二车载系统运行种子密钥生成器，生成种子密钥kb＝Kb。随后，第一车载系统运行子密钥生成函数：f(a)＝Gkamod P，结果发送至对方。第二车载系统运行子密钥生成函数：f(b)＝GkbmodP，结果发送至对方。
最后，在步骤S3，基于所述第一子密钥和所述第二子密钥，所述第一车载系统和所述第二车载系统生成共享密钥，所述共享密钥用于加密所述车辆间的通信，以及验证所述通信的协议。在一些实施例中，第一车载系统运行共享密钥生成函数：f(a)＝(f(b))f(a)modP，得到共享密钥。第二车载系统运行共享密钥生成函数：f(b)＝(f(a))f(b)mod P，得到共享密钥。
在一些实施例中，生成所述共享密钥后，所述第一车载系统和所述第二车载系统共同配置所述共享密钥的有效期和身份认证方式。具体地，由于车辆处于高速行驶当中，车辆间的距离与通讯能力不断发生变化，因此当共享密钥生成后，双方需要协调密钥有效期、身份认证方式。密钥有效期，在密钥生命周期管理模块中，根据密钥长度和车辆安全级别，定义共享密钥有效期。共享密钥有效期一般分为月、周、日、小时。其中64位密钥，有效期为小时级别，只适用于家用车辆。128位及以上密钥长度适用于公务车等安全级别较高的场景。
在一些实施例中，利用所述共享密钥加密所述车辆间的通信包括：采用SM4对称密码算法来使用所述共享密钥，以加密通信数据；以及采用SM3摘要算法来生成所述通信数据的摘要数据。
在一些实施例中，利用所述共享密钥验证所述通信的协议包括：利用单向散列函数和所述共享密钥来生成所述协议的散列值；以及将所述散列值与对方车载系统的散列值进行比较，若相同，则所述协议安全。具体地，第一车载系统(车载系统A)基于协议明文，采用单向散列函数和共享密钥生成协议的散列值，将明文与散列值发送至第二车载系统(车载系统B)。第二车载系统收到协议和散列值后，基于协议明文采用单向散列函数和共享密钥计算散列值，并与第二车载系统的散列值比较；若相等则协议安全，未被替换。
在另一些实施例中，共享密钥生成过程包括协商准备阶段、子密钥生成阶段、共享密钥生成阶段。
图3为根据本发明实施例的生成共享密钥的流程图；如图3所示，在协商准备阶段，首先当前车载系统发起密钥交换请求，随后生成用于密钥协商的质数P与整数G并发送到对方车载系统中的密钥协商系统。
在子密钥生成阶段，当前车载系统运行种子密钥生成器，生成种子密钥ka＝Ka；同时对方车载系统也运行种子密钥生成器，生成种子密钥kb＝Kb。然后，当前车载系统运行子密钥生成函数：f(a)＝Gkamod P，结果发送至对方，同时对方车载系统运行子密钥生成函数：f(b)＝Gkbmod P，结果发送至对方。
在共享密钥生成阶段，当前车载系统运行共享密钥生成函数：f(a)＝(f(b))f(a)mod P，得到共享密钥。对方车载系统也运行共享密钥生成函数：f(b)＝(f(a))f(b)mod P，得到共享密钥。
具体示例举例：智能网联汽车数据安全项目
我国某陆路货运企业，拥有万余量具有长途运输能力的大型货车，远距离跨省陆运是其主营业务。在远距离跨省陆路运输中，多量货车编组行驶是降低交通事故，节省运输成本的有效方式。但是随着车联网技术的技术，在提高车队编组能力的同时，安全风险也随之而来。攻击车辆通过技术措施，非法加入车队编组，获得车队行驶目的地、车队途经地、车队油状以及车载货物、车辆使用单位等相关信息，发送伪造指令，导致编队行驶事故，不仅造成车队信息泄漏，更严重威胁车队及临近车辆驶乘人员生命安全。本项目中，采用中基于商用密码算法的车车安全通讯系统，保障货车编队车车通信过程中的身份认证安全、数据传输安全、协议安全。
本项目的车车安全通讯系统安装在货车的车载智能终端上，所述车车安全通讯系统由密钥协商系统、数据加密函数、数据摘要函数组成。其中密钥协商系统主要由质数生成器、整数生成器、种子密钥生成器、子密钥生成函数、共享密钥生成函数、协议验证器、商密算法服务构成。其中质数生成器和整数生成器，生成共享密钥所需的质数P与整数G。种子密钥生成器，生成共享密钥所需的伪随机数，用k＝ka表示。子密钥生成函数算法为：s＝GkmodP，S1表示车载系统A的子密钥、S2表示车载系统B的子密钥。共享密钥生成函数算法为：(s1)s2mod P。主要技术指标包括：对称加密算法，密钥长度128位；非对称加密算法，密钥长度128位；新建连接速度(次/秒)>100；吞吐率(MB/秒)>500Mbps；每秒服务数(TPS)>500。
综上，本公开第一方面的方法，其带来的技术效果包括：一、大幅降低商用密码应用成本。由于不需要安装安全芯片，整车厂、配套厂商无需调整工艺流程、生产线，因此可以大幅降低商用密码应用成本。二、提高货运车辆编队中车辆身份认证能力。基于商用密码算法的车车安全通信系统，基于离散对数求解难题，采用SM2等商用密码算法，为加入通信链接的车辆进行身份认证，保障车辆编队通信过程中的身份安全。三、提高货运车辆编队数据安全传输能力。基于商用密码算法的车车安全通信系统，采用SM4对称加密算法加密敏感数据，采用SM3摘要算法为通信数据生成摘要信息，确保数据在编队间安全传输，有效防止外部攻击。
本发明第二方面提供了一种用于车辆间通信的密钥协同系统。图4为根据本发明实施例的用于车辆间通信的密钥协同系统的结构图，如图4所示。所述系统400安装于第一车载系统中，具体包括：请求接收单元401，被配置为，接收第二车载系统发送的密钥交换请求，所述请求中包含用于生成所述密钥协同的质数P和整数G；子密钥生成单元402，被配置为，基于所述质数P和整数G，生成第一子密钥；以及共享密钥生成单元403，被配置为，基于所述第一子密钥和来自于所述第二车载系统的第二子密钥，生成共享密钥，所述共享密钥用于加密所述车辆间的通信，以及验证所述通信的协议。
根据本发明第二方面提供的系统，所述子密钥生成单元402具体被配置为：生成所述共享密钥所需的伪随机数；以及基于所述质数P和整数G，利用所述伪随机数生成所述子密钥。
根据本发明第二方面提供的系统，所述系统还包括配置单元404，被配置为，和所述第二车载系统共同配置所述共享密钥的有效期和身份认证方式。
根据本发明第二方面提供的系统，其中：利用所述共享密钥加密所述车辆间的通信包括：采用SM4对称密码算法来使用所述共享密钥，以加密通信数据；采用SM3摘要算法来生成所述通信数据的摘要数据；以及利用所述共享密钥验证所述通信的协议包括：利用单向散列函数和所述共享密钥来生成所述协议的散列值；将所述散列值与对方车载系统的散列值进行比较，若相同，则所述协议安全。
在一些实施例中，第一车载系统和/或第二车载系统采用如图5所示的密钥协商系统架构，具体地，所述架构包括车载密钥系统，车载密钥系统中包括密钥协商系统、数据加密模块和数据摘要模块。其中密钥协商系统包括质数生成模块、大整数生成模块、密钥管理模块、算法服务模块、种子密钥生成模块、子密钥生成模块、共享密钥生成模块和协议验证模块。
本发明第三方面提供了一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据本发明第一方面的一种用于车辆间通信的密钥协同方法中的步骤。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于车辆间通信的密钥协同方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1、由第一车载系统向第二车载系统发送密钥交换请求，所述请求中包含用于生成所述密钥协同的质数P和整数G；
步骤S2、基于所述质数P和整数G，所述第一车载系统生成第一子密钥，所述第二车载系统生成第二子密钥，并将各自的子密钥发送给对方；以及
步骤S3、基于所述第一子密钥和所述第二子密钥，所述第一车载系统和所述第二车载系统生成共享密钥，所述共享密钥用于加密所述车辆间的通信，以及验证所述通信的协议。
2.根据权利要求1所述的用于车辆间通信的密钥协同方法，其特征在于，在所述步骤S2中，车载系统生成与其对应的子密钥具体包括：
生成所述共享密钥所需的伪随机数；以及
基于所述质数P和整数G，利用所述伪随机数生成所述子密钥。
3.根据权利要求1所述的用于车辆间通信的密钥协同方法，其特征在于，生成所述共享密钥后，所述第一车载系统和所述第二车载系统共同配置所述共享密钥的有效期和身份认证方式。
4.根据权利要求1所述的用于车辆间通信的密钥协同方法，其特征在于，其中利用所述共享密钥加密所述车辆间的通信包括：
采用SM4对称密码算法来使用所述共享密钥，以加密通信数据；以及
采用SM3摘要算法来生成所述通信数据的摘要数据。
5.根据权利要求1所述的用于车辆间通信的密钥协同方法，其特征在于，其中利用所述共享密钥验证所述通信的协议包括：
利用单向散列函数和所述共享密钥来生成所述协议的散列值；以及
将所述散列值与对方车载系统的散列值进行比较，若相同，则所述协议安全。
6.一种用于车辆间通信的密钥协同系统，其特征在于，所述系统安装于第一车载系统中，具体包括：
请求接收单元，被配置为，接收第二车载系统发送的密钥交换请求，所述请求中包含用于生成所述密钥协同的质数P和整数G；
子密钥生成单元，被配置为，基于所述质数P和整数G，生成第一子密钥；以及
共享密钥生成单元，被配置为，基于所述第一子密钥和来自于所述第二车载系统的第二子密钥，生成共享密钥，所述共享密钥用于加密所述车辆间的通信，以及验证所述通信的协议。
7.根据权利要求6所述的用于车辆间通信的密钥协同系统，其特征在于，所述子密钥生成单元具体被配置为：
生成所述共享密钥所需的伪随机数；以及
基于所述质数P和整数G，利用所述伪随机数生成所述子密钥。
8.根据权利要求6所述的用于车辆间通信的密钥协同系统，其特征在于，所述系统还包括配置单元，被配置为，和所述第二车载系统共同配置所述共享密钥的有效期和身份认证方式。
9.根据权利要求6所述的用于车辆间通信的密钥协同系统，其特征在于，其中：
利用所述共享密钥加密所述车辆间的通信包括：采用SM4对称密码算法来使用所述共享密钥，以加密通信数据；采用SM3摘要算法来生成所述通信数据的摘要数据；以及
利用所述共享密钥验证所述通信的协议包括：利用单向散列函数和所述共享密钥来生成所述协议的散列值；将所述散列值与对方车载系统的散列值进行比较，若相同，则所述协议安全。
10.一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据权利要求1-5中任一项所述的一种用于车辆间通信的密钥协同方法中的步骤。
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