CN114143350A - 基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法 - Google Patents

基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法，本发明的主要设计构思在于，通过将预设范围内方向相同、速度相近的车辆进行分组，并选择组长车辆对组内信息进行预处理，即由组长车辆负责聚合组内信息并为组内成员分配密钥等，通过车辆分组使组内车辆之间的相对位置固定，可以减少通信网络拓扑的频繁变化，过滤掉重复信息，降低中心云的负载，提升通信效率和稳定性，同时密钥管理机制也提升了群组内、群组与中心云通信的安全性。本发明通过V2X场景下车辆的分组通信技术，实现了对重复信息的有效过滤，同时保障了通信过程的安全性，并可大幅提升V2X通信网络拓扑的稳定性。

Description

基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法
技术领域
本发明涉及车联网领域，尤其涉及一种基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法。
背景技术
随着车联网进一步发展，车内单元OBU的计算性能和存储空间不断提升，并且人们对智能交通的服务需求越来越高，传统的车联网网络拓扑结构中，每辆车都与云平台或RSU进行实时通信，由于局限的网络组织形式，受限的通信带宽和后台处理能力，传统车联网系统在运行时将略显吃力，甚至长时间饱和运行会为系统带来潜在的风险，很难支撑V2X场景下车辆大规模、高并发的车辆通信和数据交换请求。现有的车载云与中心云通信场景下的通信方案主要如下：
(1)网络结构：现有方案中，在车与云通信过程中，每辆车均与云平台进行连接，实时上报车况、道路交通信息等相关数据，以及接收来自云平台的信息，是相对集中式的网络架构。
(2)通信安全认证：现有方案中，在通信身份安全认证方面，每辆车均携带自身证书与云平台进行单独认证，是基于车辆单车模式的点对点认证。
现有的技术方案存在的不足主要表现在：
(1)信息重复率：在城市交通中，当遇到堵车或等待红灯时，大部分在统一区域的车辆所识别到的交通状况是一致的，因此会导致很多重复信息以不同的车辆身份发送到云平台，增加了云平台的负担，降低了通信效率。
(2)通信稳定性：在高速公路或车辆稀少的道路上，由于车速较快，车辆拓扑结构变化率非常高，频繁的拓扑结构变化降低了网络通信效率，也对网络通信的稳定性带来影响。
(3)安全认证效率：基于单车模式的身份认证过程，每辆车均需要与云平台或RSU进行身份认证，在车辆数据大、网络拓扑变化快的场景下，身份认证效率会受到明显影响。
发明内容
鉴于上述，本发明旨在提供一种基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法，以解决现有的车载云与中心云通信方式存在的信息重复率高、通信稳定性差以及安全认证效率低的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法，其中包括：
预先由中心云进行初始化并保存生成的密钥；
根据行驶速度和行驶方向，将行驶中对应于车载云节点的全部车辆分为若干群组，并从每个群组中确定出组长车辆；
所述组长车辆利用由中心云分配的密钥分别与其组内的其他车辆成员建立协商密钥；
在所述协商密钥建立后，当组内各车辆共享交通公共信息时，由组长车辆对交通公共信息进行冗余过滤后发送至中心云；且当群组内的车辆与中心云进行定制化通信时，组内车辆利用由中心云分配的密钥对通信信息进行加密，并经由组长车辆作为中转在组内车辆与中心云之间传递通信信息。
在其中至少一种可能的实现方式中，当车辆加入或离开群组时，由所述组长车辆更新并群内广播群组密钥。
在其中至少一种可能的实现方式中，在车辆离开所在群组后，所述组长车辆重新计算群组密钥，并将新的群组密码广播至组内剩余成员；在新的车辆加入群组后，所述组长车辆为其计算协商密钥，并更新群组密钥后广播至组内成员进行更新。
在其中至少一种可能的实现方式中，所述通信方法还包括：在车辆云节点加入车联网之前，由中心云向注册完成的合法车辆云节点分配公钥、私钥以及用于区分注册用户和非注册用户的群组密钥。
在其中至少一种可能的实现方式中，所述建立协商密钥包括：
在各个组员车辆向所述组长车辆发送请求后，获得组长车辆的证书；
在组员车辆验证所述证书后，生成随机数；
组员车辆将所述组长车辆的公钥结合所述随机数，生成中间密钥并发至所述组长车辆；
在所述组长车辆利用其私钥对所述中间密钥解密后得到所述随机数之后，协商密钥建立完成。
在其中至少一种可能的实现方式中，所述对交通公共信息进行冗余过滤后发送至中心云包括：所述组长车辆计算两个组内信息的Hash值，并根据计算结果确定两个组内信息是否重复，若是，则保留并向中心云发布两个重复的组内信息中的一个信息。
在其中至少一种可能的实现方式中，所述在组内车辆与中心云之间传递通信信息包括：
组内车辆利用公钥对消息进行加密，并向所述组长车辆发送加密后的消息；
所述组长车辆直接向中心云转发该加密后的信息；
在中心云收到该加密后的信息后，用私钥进行解密得到原始的消息；
中心云基于原始的消息进行处理后将反馈信息经由所述组长车辆转发至对应的组内车辆。
在其中至少一种可能的实现方式中，所述根据行驶速度和行驶方向，将行驶中对应于车载云节点的全部车辆分为若干群组包括：将预设范围内具有相同行驶方向且车速差值符合预设标准的行驶中的车辆分为一组。
在其中至少一种可能的实现方式中，所述预先由中心云进行初始化并保存生成的密钥包括：
由中心云密钥分配中心进行密钥初始化，并将生成的密钥保存在防篡改设备中。
在其中至少一种可能的实现方式中，所述从每个群组中确定出组长车辆包括：
将群组内各个车辆的计算及存储资源最多的车辆确定为该群组的组长车辆。
本发明的主要设计构思在于，通过将预设范围内方向相同、速度相近的车辆进行分组，并选择组长车辆对组内信息进行预处理，即由组长车辆负责聚合组内信息并为组内成员分配密钥等，通过车辆分组使组内车辆之间的相对位置固定，可以减少通信网络拓扑的频繁变化，过滤掉重复信息，降低中心云的负载，提升通信效率和稳定性，同时密钥管理机制也提升了群组内、群组与中心云通信的安全性。本发明通过V2X场景下车辆的分组通信技术，实现了对重复信息的有效过滤，同时保障了通信过程的安全性，并可大幅提升V2X通信网络拓扑的稳定性。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步描述，其中：
图1为本发明实施例提供的基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明提出了一种基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法的实施例，具体来说，如图1所示，其中包括：
步骤S1、由中心云进行初始化并保存生成的密钥；
在实际操作中，可以由中心云的密钥分配中心(PKG)负责进行初始化，并生成密钥，进一步地，优选保存在防篡改设备中。
步骤S2、根据行驶速度和行驶方向，将行驶中的车辆分为若干群组，并基于各群组内各个车辆的计算及存储资源，从每个群组中确定出组长车辆；
这里所述的根据行驶速度和行驶方向，将行驶中的车辆分为若干群组，具体是可以将预设范围内具有相同行驶方向且车速相近(可以通过设定车速差值标准)的行驶中的车辆分为一组；而确定组长的方式则可以直接将计算及存储资源最富裕的车辆作为其坐在群组的组长。
步骤S3、所述组长车辆分别与其组内的其他车辆成员建立协商密钥。
具体地，可由各组员车辆向组长车辆发送请求，组长车辆将自己的证书发送至各组员车辆，在组员车辆验证通过该证书后，生成一个随机数K，并结合组长车辆的公钥使用K进行加密后得到K’，将K’发送给组长车辆，组长车辆利用其私钥解密后得到随机数K，从而使双方建立协商密钥。
步骤S4、在所述协商密钥建立后，当组内各车辆共享交通公共信息时，由组长车辆对交通公共信息进行冗余过滤后发送至中心云；
具体地，假设车辆V1、V2在群组G1中，V1发送的交通公共信息为M1，V2发送的交通公共信息M2。组长车辆负责组内信息的过滤，如果M1和M2是相同的信息(可通过Hash计算后其得到的值一致)，此时只保留M1、M2中的1份数据并向中心云发送其中1份数据，从而实现对共享的交通公共信息的重复性进行过滤。
步骤S5、在所述协商密钥建立后，当群组内的车辆与中心云进行定制化通信时(如组内成员车辆需要更新状态)，组内车辆对通信进行加密，并经由组长车辆作为中转在组内车辆与中心云之间传递通信信息。
具体地，车辆V1可利用中心云的公钥对某消息M进行加密后得到M’，并向组长车辆发送M’，组长车辆直接向中心云转发该信息M’。当中心云收到信息后，用中心云的私钥解密消息M’后得到M，随后将处理后的信息反馈给组长车辆，组长车辆直接转发该消息给对应的组员车辆。
进一步地，在动态群组中，车辆频繁地加入或离开都会使群组成员发生变化，群组组长车辆需要定期更新预先由中心云(PKG)分配的群组密钥。
举例来说，假设车辆V1离开群组G1，需向群组组长车辆发出通知，在V1离开后，组长车辆重新计算群组密钥GK，并将新的GK在广播至组内剩余成员，组内剩余的车辆更新群组密钥。同样，如果车辆V2想加入群组G1中，在发送请求信息与其签名后，组长车辆为其计算协商密钥，并更新群组密钥后广播至组内成员进行更新。
关于前述群组密钥的生成，在实际操作中，在车辆在加入车联网之前，由车辆使用者持有效证件(如身份证、驾驶证等)在PKG进行线下注册，并可以为注册完成的合法用户生成公钥和私钥以及用于区分注册用户和非注册用户的群组密钥，以防非注册用户访问车载云节点网络中的交通公共信息。
关于前述方法实施例涉及的云架构，这里提供下述具体的模型供实施参考，该示例中，云架构可包括由车辆组成的车载云以及中心云，具体来说：
(1)车载云
车载云节点，是由一定数量的车辆以及负责聚合和转发信息的群组长车辆组成。如前所述，在既定的通信范围内行驶方向一致、速度相近的车辆可以组成小组，并从而选定一个车辆成为组长，组长车辆负责聚合组内信息并为组内成员分配组密钥等，组员车辆通过与车载云节点之间的通信(V2V)以及组长车辆与中心云之间的通信(V2C)便可以访问到云服务资源。
(2)中心云
中心云拥有更多的资源，主要负责车载云节点的注册、系统初始化、数据存储以及密钥分配等，中心云还可以包括服务中心，从而为用户提供个性化服务。此外，中心云还可以包括密钥分配中心，主要负责为用户计算密钥。
综上所述，本发明的主要设计构思在于，通过将预设范围内方向相同、速度相近的车辆进行分组，并选择组长车辆对组内信息进行预处理，即由组长车辆负责聚合组内信息并为组内成员分配密钥等，通过车辆分组使组内车辆之间的相对位置固定，可以减少通信网络拓扑的频繁变化，过滤掉重复信息，降低中心云的负载，提升通信效率和稳定性，同时密钥管理机制也提升了群组内、群组与中心云通信的安全性。本发明通过V2X场景下车辆的分组通信技术，实现了对重复信息的有效过滤，同时保障了通信过程的安全性，并可大幅提升V2X通信网络拓扑的稳定性。
本发明实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示单独存在A、同时存在A和B、单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a，b，c，a和b，a和c，b和c或a和b和c，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，但以上仅为本发明的较佳实施例，需要言明的是，上述实施例及其优选方式所涉及的技术特征，本领域技术人员可以在不脱离、不改变本发明的设计思路以及技术效果的前提下，合理地组合搭配成多种等效方案；因此，本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法，其特征在于，包括：
预先由中心云进行初始化并保存生成的密钥；
根据行驶速度和行驶方向，将行驶中对应于车载云节点的全部车辆分为若干群组，并从每个群组中确定出组长车辆；
所述组长车辆利用由中心云分配的密钥分别与其组内的其他车辆成员建立协商密钥；
在所述协商密钥建立后，当组内各车辆共享交通公共信息时，由组长车辆对交通公共信息进行冗余过滤后发送至中心云；且当群组内的车辆与中心云进行定制化通信时，组内车辆利用由中心云分配的密钥对通信信息进行加密，并经由组长车辆作为中转在组内车辆与中心云之间传递通信信息。
2.根据权利要求1所述的基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法，其特征在于，当车辆加入或离开群组时，由所述组长车辆更新并群内广播群组密钥。
3.根据权利要求2所述的基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法，其特征在于，在车辆离开所在群组后，所述组长车辆重新计算群组密钥，并将新的群组密码广播至组内剩余成员；在新的车辆加入群组后，所述组长车辆为其计算协商密钥，并更新群组密钥后广播至组内成员进行更新。
4.根据权利要求1所述的基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法，其特征在于，所述通信方法还包括：在车辆云节点加入车联网之前，由中心云向注册完成的合法车辆云节点分配公钥、私钥以及用于区分注册用户和非注册用户的群组密钥。
5.根据权利要求1所述的基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法，其特征在于，所述建立协商密钥包括：
在各个组员车辆向所述组长车辆发送请求后，获得组长车辆的证书；
在组员车辆验证所述证书后，生成随机数；
组员车辆将所述组长车辆的公钥结合所述随机数，生成中间密钥并发至所述组长车辆；
在所述组长车辆利用其私钥对所述中间密钥解密后得到所述随机数之后，协商密钥建立完成。
6.根据权利要求1所述的基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法，其特征在于，所述对交通公共信息进行冗余过滤后发送至中心云包括：所述组长车辆计算两个组内信息的Hash值，并根据计算结果确定两个组内信息是否重复，若是，则保留并向中心云发布两个重复的组内信息中的一个信息。
7.根据权利要求1所述的基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法，其特征在于，所述在组内车辆与中心云之间传递通信信息包括：
组内车辆利用公钥对消息进行加密，并向所述组长车辆发送加密后的消息；
所述组长车辆直接向中心云转发该加密后的信息；
在中心云收到该加密后的信息后，用私钥进行解密得到原始的消息；
中心云基于原始的消息进行处理后将反馈信息经由所述组长车辆转发至对应的组内车辆。
8.根据权利要求1～7任一项所述的基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法，其特征在于，所述根据行驶速度和行驶方向，将行驶中对应于车载云节点的全部车辆分为若干群组包括：将预设范围内具有相同行驶方向且车速差值符合预设标准的行驶中的车辆分为一组。
9.根据权利要求1～7任一项所述的基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法，其特征在于，所述预先由中心云进行初始化并保存生成的密钥包括：
由中心云密钥分配中心进行密钥初始化，并将生成的密钥保存在防篡改设备中。
10.根据权利要求1～7任一项所述的基于车载云与中心云通信架构的安全通信方法，其特征在于，所述从每个群组中确定出组长车辆包括：
将群组内各个车辆的计算及存储资源最多的车辆确定为该群组的组长车辆。
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