CN113242222A - 具有隐私保护性的车辆路径规划方法 - Google Patents

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CN113242222A CN202110478189.5A CN202110478189A CN113242222A CN 113242222 A CN113242222 A CN 113242222A CN 202110478189 A CN202110478189 A CN 202110478189A CN 113242222 A CN113242222 A CN 113242222A
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吕松展
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Abstract

本发明公开了一种具有隐私保护性的车辆路径规划方法，所述方法包括：初始化阶段，认证机构构建路边单元相关信息并生成、发布相关安全参数；注册阶段，用于车辆完成进入系统前的身份验证；查询阶段，为车辆进行路径规划，并向认证机构获取所需的路边单元信息。本发明利用BGN同态加密实现了隐私保护性的路径规划，使得车辆从认证机构处获取路边单元信息时不会泄露提前规划的路径信息，从而有效保护了车辆的隐私安全，并极大地提高了车辆与路边单元的认证效率。

Description

具有隐私保护性的车辆路径规划方法
技术领域
本发明涉及智能交通及物联网领域，具体涉及一种具有隐私保护性的车辆路径规划方法。
背景技术
车联网技术的应用能显著地提高交通运输系统的效率与安全性，并且能有效减少交通事故，降低安全风险。目前的车联网认证方案大多是为车辆与路边单元(RSU)实时认证所设计的，未涉及到车辆的路径规划，如果让车辆进入到RSU通信范围内时再进行认证，一来一往，车都开出去很远了，这种效率是不能令人满意的。重要的是在保护用户隐私方面，很多方案采用了差分隐私的方式，这对于某个位置点的隐藏是有效的，但是对于整条路径来说，用差分加噪的方式是不可靠的。如果在车辆出发前能提前为车辆进行路径规划，完成所要经过的RSU的口令的分发，当车辆进入一个RSU时，车辆向RSU回答之前分发的口令，从而通过认证，这样就能极大地减少认证计算的负担，实现车辆与RSU的快速认证。目前有关车辆路径规划方案的构想一般是由车辆提交出发地与目的地信息给认证机构(CA)，之后由CA为车辆以及车辆所要经过的RSU分配密钥，但是在这些方案中CA掌握了车辆规划的路径信息，这就造成了隐私安全问题。
发明内容
为了实现车辆与RSU的快速认证并且保护用户的隐私，本发明提供了一种具有隐私保护性的车辆路径规划方法。车辆首先需要在出发地对路径进行规划，查询到所要经过的RSU，之后，车辆再与CA通信，完成认证并从CA获取到这些RSU的相关信息，其中包括每个RSU所使用的对称加密密钥。在这个过程中，本发明利用了BGN同态加密算法，使得CA不能知道哪些RSU的信息被车辆获取，从而有效保护了车辆规划路径的隐私。
本发明的技术方案：
具有隐私保护性的车辆路径规划方法，包括初始化阶段、注册阶段和查询阶段。初始化阶段主要包括以下步骤：
认证机构(CA)为地图上的每个路边单元进行编码，并构建信息向量H_info，信息向量H_info中的元素为mi，每个元素包含对应的路边单元的相关信息；信息向量H_info中的元素mi的格式为：
Figure BDA0003048072210000021
Figure BDA0003048072210000022
…,
Figure BDA0003048072210000023
…,
Figure BDA0003048072210000024
其中：
Figure BDA0003048072210000025
是认证机构CA给第i个路边单元(RSUi)的编号，
Figure BDA0003048072210000026
是RSUi为自己随机选择的一个密钥，infoi是RSUi附近的道路状况信息。
查询阶段主要包括以下步骤：
(1)车辆启动时，TPD提前预测路径，并将地图中所要经过的区域标记为1，未经过的区域则标记为0，之后生成一个向量L；然后，TPD使用BGN同态加密算法对向量L进行加密，得到加密向量EL；TPD提前为每个区域计算两个加密值
Figure BDA0003048072210000027
和
Figure BDA0003048072210000028
前一个加密值表示区域会经过，后一个加密值表示区域不会经过；其中TPD表示车辆的防篡改转置。
(2)TPD选择一个随机值
Figure BDA0003048072210000029
然后将加密向量右移
Figure BDA00030480722100000210
位，TPD再计算一个移位矩阵P，在得到移位矩阵P后，TPD使用BGN加密算法对移位矩阵P的第一行元素进行加密，之后再通过移位获得后续行元素的加密值，最终得到加密的移位矩阵EP。
(3)TPD计算车辆的临时假名
Figure BDA00030480722100000211
并生成消息M1，之后车辆通过车载单元OBU将消息M1发送给CA，
Figure BDA00030480722100000212
Figure BDA00030480722100000213
其中，H(·)表示安全的哈希函数，TS1表示时间戳，
Figure BDA00030480722100000214
为EL循环右移
Figure BDA00030480722100000215
位后的向量，PWD为车辆向认证机构CA注册时的认证码，IDV为车辆的真实身份，PIDv为车辆的初始假名，rnn是车辆选择的随机数，并且由CA为车辆生成哈希链rni＝H(rni+1)；
Figure BDA0003048072210000031
为CA的公钥。
(4)CA接收到消息M1后，先检查TS1与
Figure BDA0003048072210000032
是否正确，之后再使用自己的私钥解密
Figure BDA0003048072210000033
获取到其中的内容，并验证IDv与PWD，若以上验证操作都正确，则CA使用车辆发送的加密移位矩阵EP与信息向量H_info进行运算，并求得移位后的加密信息向量Einfo。
(5)CA将Einfo与EL中对应的元素进行BGN乘同态运算，得到最后的结果向量Ereasult。
(6)CA发送消息M2给车辆，M2＝{Eresult,TS2,H(Eresult‖TS2‖SPIDv)}，其中TS2表示时间戳。
(7)车辆接收到M2后，先检查时间戳是否合法，之后再验证H(Eresult‖TS2‖SPIDv)，若消息合法，TPD则接收消息并对结果向量Eresult中的元素依次使用车辆的密钥Skv进行解密，并将所得的元素向左循环移动
Figure BDA0003048072210000034
位，从而获取到所需的路边单元RSU的信息mL＝{m0,m1,m2}。
具体实施方式
本实施例将路径规划协议按执行顺序分成初始化、注册和查询三个阶段详细加以说明，以便于更好的理解本发明的技术方案要点。
名称及参数注释：
i表示区域编号；
CA：认证机构；
RSUi：第i个路边单元；
OBU：车载单元；
TPD：车辆的防篡改转置；
Figure BDA0003048072210000035
CA给RSUi的编号；
Figure BDA0003048072210000036
RSUi为自己随机选择的一个密钥；
Infoi：RSUi附近的道路状况信息；
IDV：车辆的真实身份；
PWD：车辆向CA注册时的认证码；
PIDv：车辆的初始假名；
SPIDv：车辆的临时假名。
一.初始化阶段：
(1)CA产生一个公/私钥对(PKCA,SKCA)，并选择一个安全的哈希函数:h(0,1)*→(0,1)l。
(2)每个RSUi为自己随机选择一个密钥
Figure BDA0003048072210000041
Zp表示有限域，并通过安全信道将选择的
Figure BDA0003048072210000042
发送给CA(为了保证系统的安全，
Figure BDA0003048072210000043
需要定期更新)。
(3)CA为地图上的每一个RSU进行编码，并构建信息向量(H_info)，向量中的元素为mi，其中每个元素包含对应的RSU的相关信息。H_info中元素mi的格式为：
Figure BDA0003048072210000044
Figure BDA0003048072210000045
…；
Figure BDA0003048072210000046
…；
Figure BDA0003048072210000047
(4)CA向整个网络颁布公钥PKCA、映射地图map、安全哈希函数H(·)、保密H_info和私钥SKCA。
二.注册阶段：
在注册阶段，车辆向CA注册，合法注册的车辆都能进入网络，进行数据和信息共享。
(1)首先车辆的防篡改转置(TPD)选择一个安全参数τ，运行算法G(τ)得到元组(G,GT,e,g0,N)，其中，G,GT是阶为N＝pq的群，其中p，q表示大素数，e：G×G→GT是双线性映射。TPD选择两个随机生成元g0,u∈G，并设置h＝up，则h为群G的q阶子群的随机生成元，e(g0,g0)＝g1，e(g0,h)＝h1，最终TPD公布车辆的公钥PKv＝(G,GT,e,g0,h,N),并保证车辆的私钥SKv＝q的安全。
(2)TPD随机选择一个数字rnn，并通过车载单元(OBU)将rnn和真实身份IDv发送给CA。
(3)CA验证IDv，如果车辆的IDv是合法的，那么CA将基于IDv为车辆产生一个初始假名PIDv。
(4)CA随后将基于rnn产生一串哈希链。CA将rnn作为哈希链的最后一个元素，并应用CA公布的安全的哈希函数H()和公式rni＝H(rni+1)，i∈[0,…,n-1]，n是一个整数，依次计算前一个哈希值，最后得到哈希链的第一个值rn0。
(5)CA发送初始假名PIDv，CA为车辆选择的认证码PWD和哈希链{rn0,rn1,…,rnn}发给车辆，并且CA储存车辆的真实身份IDv和与之相关的初始假名PIDv以及哈希链{rn0,rn1,…,rnn}。
本注册阶段也可以采用现有的其它技术方案。
三.查询阶段：
在查询阶段，车辆TPD先预测轨迹，并向CA请求轨迹上RSU的相关信息。本阶段保证合法注册车辆能获得RSU相关信息，并使得CA不能知晓车辆获取了哪些RSU信息。
(1)车辆在启动时，需要TPD提前预测路径，并将map中所要经过的区域标记为1，未经过的区域则标记为0。之后，生成一个向量L。例如，车辆经过区域0，1，2，不经过区域3，则向量L＝{1,1,1,0}。然后，TPD使用BGN同态加密算法对L进行加密。为了让加密操作更加高效，TPD会提前为每个区域计算两个加密值
Figure BDA0003048072210000051
前者表示区域会经过，后者表示区域不会经过。例如，对于向量L＝{1,1,1,0}，加密后为EL＝{C0 1,C1 1,C2 1,C3 0}。
(2)如果车辆直接将加密向量EL发送给CA，CA能够通过车辆以往查询的轨迹数据推断出当前查询的内容，所以，直接发送加密向量EL不能保证车辆轨迹信息的隐私性。为了增强隐私性，可以根据摩尔曲线首尾端点重合的性质，实现轨迹向量的循环位移却又能使整体的相对位置不受到影响。该方案添加随机的右移循环，保证加密向量EL的隐私性。首先，TPD选择一个随机值
Figure BDA0003048072210000052
然后将加密向量右移
Figure BDA0003048072210000053
位。只要TPD随机选取的
Figure BDA0003048072210000054
不被CA获取，这个车辆轨迹的隐私性就可以得到保证。然而，为了保证查询的准确性，需要使CA在不知道
Figure BDA0003048072210000061
的情况下也对信息向量H_info中的元素循环右移
Figure BDA0003048072210000062
位。因此，TPD需要计算一个移位矩阵P，矩阵P中的元素值为：
Figure BDA0003048072210000063
在得到移位矩阵P后，TPD需要加密P中的每一个值，为了减少计算量，TPD仅使用BGN加密算法对P的第一行元素进行加密，之后再通过移位获得后续行元素的加密值，最终得到加密的移位矩阵EP。例如，假设
Figure BDA0003048072210000064
为2，则根据公式①可得移位矩阵P为：
Figure BDA0003048072210000065
TPD对式②中P加密后可得加密移位矩阵Ep，如式③所示。
Figure BDA0003048072210000066
(3)TPD计算临时假名
Figure BDA0003048072210000067
并生成消息M1，之后车辆通过OBU将消息M1发送给CA，
Figure BDA0003048072210000068
Figure BDA0003048072210000069
其中，TS1表示时间戳，
Figure BDA00030480722100000610
为EL循环右移
Figure BDA00030480722100000611
位后的向量。
(4)CA接收到消息M1后，先检查TS1与
Figure BDA00030480722100000612
是否正确，之后再使用自己的私钥解密
Figure BDA00030480722100000613
获取到其中的内容，并验证IDv与PWD，若以上验证操作都正确，则CA使用车辆发送的加密移位矩阵EP与H_info信息向量进行运算，并求得移位后的加密信息向量Einfo。如式④所示。
Figure BDA0003048072210000071
(5)此时，移位后的加密信息向量Einfo与EL中的元素相对应，CA将Einfo与EL中对应的元素进行BGN乘同态运算，得到最后的结果向量Ereasult。如式⑤所示。
Figure BDA0003048072210000072
(6)CA发送消息M2给车辆，M2＝{Eresult,TS2,H(Eresult‖TS2‖SPIDv)}，其中，TS2表示时间戳。
(7)车辆接收到M2后，先检查时间戳是否合法，之后再验证H(Eresult‖TS2‖SPIDv)，若消息合法，TPD则接收消息并对Eresult向量中的元素依次使用密钥Skv进行解密，并将所得的元素向左循环移动
Figure BDA0003048072210000081
位，从而获取到所需的RSU的信息mL＝{m0,m1,m2}。
本发明的有益效果：1.车辆查询所要经过的RSU的信息时，CA并不知道哪些RSU信息被车辆获取，保护用户的隐私；2.对称加密算法的应用使得车辆与RSU之间的认证十分高效。

Claims (2)

1.具有隐私保护性的车辆路径规划方法，包括初始化阶段和查询阶段，其特征在于，所述初始化阶段包括：CA为地图上的RSUi进行编码，并构建信息向量H_info，信息向量H_info中的元素为mi，每个元素包含对应的路边单元的相关信息；信息向量H_info中的元素mi的格式为：
Figure FDA0003048072200000011
其中：CA表示认证机构，i是区域编号，RSUi表示第i个路边单元，
Figure FDA0003048072200000012
是CA给RSUi的编号，
Figure FDA0003048072200000013
是RSUi为自己随机选择的一个密钥，infoi是RSUi附近的道路状况信息；
所述查询阶段包括：
(1)车辆启动时，TPD提前预测路径，并将地图中所要经过的区域标记为1，未经过的区域则标记为0，之后生成一个向量L；然后，TPD使用BGN同态加密算法对向量L进行加密，得到加密向量EL，其中TPD表示车辆的防篡改转置；
(2)TPD选择一个随机值
Figure FDA0003048072200000014
然后将加密向量右移
Figure FDA0003048072200000015
位，TPD再计算一个移位矩阵P，在得到移位矩阵P后，TPD使用BGN加密算法对移位矩阵P的第一行元素进行加密，之后再通过移位获得后续行元素的加密值，最终得到加密的移位矩阵EP；
(3)TPD计算车辆的临时假名
Figure FDA0003048072200000016
并生成消息M1，之后车辆通过车载单元OBU将消息M1发送给CA，
Figure FDA0003048072200000017
Figure FDA0003048072200000018
其中，H(·)表示安全的哈希函数，TS1表示时间戳，
Figure FDA0003048072200000019
为EL循环右移
Figure FDA00030480722000000110
位后的向量，PWD为车辆向认证机构CA注册时的认证码，IDV为车辆的真实身份，PIDv为车辆的初始假名，rnn是车辆选择的随机数，并且由CA为车辆生成哈希链rni＝H(rni+1)；
Figure FDA0003048072200000021
为CA的公钥；
(4)CA接收到消息M1后，先检查TS1与
Figure FDA0003048072200000022
是否正确，之后再使用自己的私钥解密
Figure FDA0003048072200000023
获取到其中的内容，并验证IDv与PWD，若以上验证操作都正确，则CA使用车辆发送的加密移位矩阵EP与信息向量H_info进行运算，并求得移位后的加密信息向量Einfo；
(5)CA将Einfo与EL中对应的元素进行BGN乘同态运算，得到最后的结果向量Ereasult；
(6)CA发送消息M2给车辆，M2＝{Eresult,TS2,H(Eresult‖TS2‖SPIDv)}，其中TS2表示时间戳；
(7)车辆接收到M2后，先检查时间戳是否合法，之后再验证H(Eresult‖TS2‖SPIDv)，若消息合法，TPD则接收消息并对结果向量Eresult中的元素依次使用车辆的密钥Skv进行解密，并将所得的元素向左循环移动
Figure FDA0003048072200000024
位，从而获取到所需的路边单元RSU的信息mL＝{m0,m1,m2}。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括注册阶段，注册阶段包括以下步骤：
(1)首先TPD选择一个安全参数τ，运行算法G(τ)得到元组(G,GT,e,g0,N)，其中，G,GT是阶为N的群，N＝pq，其中p，q表示大素数；e：G×G→GT是双线性映射；TPD选择两个随机生成元g0,u∈G，并设置h＝up，h为群G的q阶子群的随机生成元，e(g0,g0)＝g1，e(g0,h)＝h1；最终TPD公布车辆的公钥PKv＝(G,GT,e,g0,h,N),并保证车辆的私钥SKv＝q的安全；
(2)TPD随机选择一个数字rnn，并通过车载单元OBU将rnn和车辆的真实身份IDv发送给CA；
(3)CA验证车辆的真实身份IDv，如果IDv是合法的，那么CA将基于IDv为车辆产生一个初始假名PIDv；
(4)CA随后将基于rnn产生一串哈希链，CA将rnn作为哈希链的最后一个元素，并应用CA公布的安全的哈希函数H(·)和公式rni＝H(rni+1)，i∈[0,…,n-1]，n是一个整数，依次计算前一个哈希值，最后得到哈希链的第一个值rn0；
(5)CA发送初始假名PIDv，CA为车辆选择的认证码PWD和哈希链{rn0,rn1,…,rnn}发给车辆，并且CA储存车辆的真实身份IDv、初始假名PIDv以及哈希链{rn0,rn1,…,rnn}。
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