CN115297456B - 一种vanet中面向紧急救援场景的道路规避方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VANET中面向紧急救援场景的道路规避方法，是应用于由监测中心、若干个车辆用户、若干个路侧单元和若干个紧急救援车辆所组成的系统中，其步骤包括：1系统初始化、实体注册、紧急路况信息报告、规避消息分发与接收；2在紧急路况消息上报过程，车辆采用收敛加密密钥对其加密，从而路侧单元可在转发过程中根据消息密文过滤重复消息；3监测中心采用基于身份的广播加密方案将规避消息广播给车辆，消息可在公开信道传播并且能避免一对多通信中的冗余加密操作。本发明能在保护紧急路况信息上报车辆用户隐私的同时，减少上报过程的冗余传输操作与监测中心冗余加解密操作，保障救援任务的及时完成，减少人员伤亡与财产损失。

Description

一种VANET中面向紧急救援场景的道路规避方法

技术领域

本发明涉及车联网及无线通信安全领域，尤其涉及VANET中面向紧急救援场景的道路规避方法。

背景技术

车载自组织网络(VANET)是一种建立在移动车辆之间的分布式自组织通信网络。其目标是为了在道路上构建一个自组织的、部署方便、结构开放的车辆间通信网络，提供无中心、自组织、支持多跳转发的数据传输能力，从而实现更好的交通管理和驾驶体验。VANET中主要包含有3种实体：可信机构(TA)、路侧单元(RSU)和车辆(V)，其中车辆作为移动节点会装备有多种传感以及车载单元(OBU)。车载传感器可以用来感知周围环境，采集相关路况等信息，车载单元(OBU)则用于与其他车辆、道路基础设施、行人和网络进行通信。因此在智能交通系统中，车辆可以作为路况信息的采集者，将路况信息通过RSU上报给道路监测中心，帮助监测中心实现对道路状况的监测。从而在出现道路紧急情况时，监测中心可以及时的做出反应。

当道路上出现一些需要救援车辆如救护车、消防车、警车进行救援的紧急情况时，首先是周围的车辆感知到该紧急路况并向监测中心上报，然而车辆采集上报的路况信息一般会包含有时间、位置等信息，敌手可能会根据此推断出上报车辆的行驶轨迹等相关隐私信息，所以有必要对路况信息进行加密传输以保护用户的隐私。然而现有的路况监测方案大多采用传统的对称加密方案，考虑到该紧急路况信息一般会由多个周围的车辆用户同时上报，若采用传统的加密方式相同的路况消息则会被不同车辆用户加密为不同的密文，监测中心解密密文后才能判断重复报告信息，会多次处理相同报告消息，浪费监测中心计算资源。此外，由于无线信道的带宽有限，同时传输多个相同的紧急路况信息会导致VANET中的消息传输效率下降。

此外，现有的车联网中的紧急救援场景下的认证方法大多未考虑道路规避问题，在救援车辆救援过程中，若相应救援道路上的车辆能够提前避让，为应急车辆提供快速通行，救援效率也会大大提升。然而目前的救援车辆的避让仍较依赖于车辆配置的基本警报器和指示灯。由于光、声传输范围有限，一些普通车辆在获得避让信息后往往没有足够时间进行避让并及时腾出临时应急车道，难以保障及时完成紧急救援任务。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出了一种VANET中面向紧急救援场景的道路规避方法，以期在道路紧急救援场景中，能保护紧急路况信息上报车辆用户隐私的同时，减少上报以及广播过程中的冗余传输与冗余加解密操作，从而能更及时调度紧急救援车辆并通知救援道路上车辆进行规避，以保障及时完成救援任务，减少人员伤亡与财产损失。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种VANET中面向紧急救援场景的道路规避方法的特点是应用于由监测中心、若干个车辆用户、若干个路侧单元和若干个紧急救援车辆所组成的系统中，并包括以下步骤：

步骤一：系统初始化；

步骤1.1：所述监测中心选择两个大素数p、q以及两个p阶乘法循环群G、G_T，选取G的生成元g₁、g₂，并定义双线性映射e:G×G→G_T；→表示映射操作；

步骤1.2：所述监测中心选择4个安全哈希函数，分别为 和/>其中，/>表示小于q且与q互素的正整数集合；

步骤1.3：所述监测中心选择一个安全对称加密方案:c＝Enc(m,k)、m＝Dec(c,k)，其中，m表示明文、c表示密文、k表示加解密密钥、Enc()表示加密算法、Dec()表示加密算法；

步骤1.4：所述监测中心选择随机数并计算系统公钥pub＝(pub₁,pub₂)，其中，系统公钥pub的第一部分/>系统公钥pub的第二部分/>然后计算公共参数/>最后设置系统私钥为(s,g₁)，并向车辆用户和RSU发布系统公钥pub和公共参数param；其中，l表示系统中车辆用户的数量；

步骤二：实体注册；

步骤2.1：任意第i个车辆用户通过安全信道向所述监测中心发送注册请求以及自己的身份ID_i；

步骤2.2：所述监测中心对所接收到的注册请求和身份ID_i进行合法性验证，若验证通过，则计算第i个车辆用户的私钥并通过所述安全信道发送给第i个车辆用户后存储在车辆的防篡改设备TPD中；

步骤三：紧急路况信息报告；

步骤3.1：当第i个车辆用户感知到周围紧急状况时，向所述监测中心上报紧急路况信息msg；首先，第i个车辆用户的防篡改设备TPD选择随机数并计算假名PID_i＝{PID_i,1,PID_i,2}与签名私钥/>其中，假名PID_i的第一部分/>假名PID_i的第二部分/>

步骤3.2：第i个车辆用户选取随机数并计算签名辅助验证参数消息哈希值h_i＝H₂(msg,R_i,T_i)，从而生成第i个车辆用户的签名{σ_i,β_i}，其中，签名的第一部分/>签名的第二部分/>T_i为第i个车辆用户发送消息的当前时间戳；

步骤3.3：第i个车辆用户计算收敛密钥ck_i＝H₁(msg)，用于对紧急路况信息msg进行加密并生成消息密文C_i＝Enc(msg,ck_i)，并计算收敛密钥密文 表示异或；

步骤3.4：第i个车辆用户将紧急报告消息{C_i,σ_i,β_i,h_i,T_i,CK_i,PID_i}发送给邻近的路侧单元RSU，所述路侧单元RSU根据消息密文C_i是否一致，对所接收到的重复紧急报告消息进行过滤，并将过滤后的一条紧急报告消息转发给所述监测中心；

步骤四：规避消息分发与接收；

步骤4.1：所述监测中心在接收到紧急报告消息{C_i,σ_i,β_i,h_i,T_i,CK_i,PID_i}后先进行解密，得到明文并计算验证参数/> 从而判断等式h_i＝H₂(m',R_i',T_i)是否成立，若等式成立，则表示紧急报告消息验证通过，否则，拒绝该紧急报告消息；

步骤4.2：当验证通过后，所述监测中心调度任意一个紧急救援车辆EV，并为其选择最优救援路径后，发送规避消息m^*给所述最优救援路径上的所有车辆用户；

步骤4.3：所述监测中心随机选择秘密值并设置广播集合/>其中，H₁(ID_i)表示第_i个车辆用户的身份ID_i的哈希值，S为接收规避消息m^*的车辆用户身份哈希值的集合，n为接收规避消息m^*的车辆用户数量；

所述监测中心计算广播密文CT＝{CT₀,CT₁,CT₂}，从而广播{CT,S,T}；其中，广播密文CT的第一部分CT₀＝m^*·e(g₁,g₂)^α、第二部分第三部分/> T为当前时间的时间戳；

步骤4.4：当第j个车辆用户接收到消息{CT,S,T}后，先检查T_c-T<T_△是否成立，若成立，则进行步骤4.5，否则拒绝接收该消息，其中，T_c为第j个车辆用户接收到消息的当前时间戳，T_△为系统中定义的消息允许时间延迟；

步骤4.5：第j个车辆用户根据其私钥、广播密文、系统公钥和公共参数计算广播解密密钥

步骤4.6：第j个车辆用户使用广播解密密钥V对广播密文第一部分CT₀进行解密后，得规避消息m^*'＝CT₀/V，用于道路避让操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、在本发明提出的认证方法中，上报车辆采用收敛加密密钥对紧急路况消息进行加密，监测接收到紧急路况信息后会先对其进行认证，而后采用基于身份的广播加密方案加密规避消息并广播给救援道路上车辆，车辆使用其私钥解密获得规避消息，通过这种方式解决了上报过程中的冗余消息传输问题，同时有效保护了紧急路况消息上传车辆用户的隐私，且可以抵御VANET中的常见攻击如窃听攻击、重放攻击、伪造攻击等。

2、与传统的加密方式不同，本发明采用收敛加密方案，对于不同的用户其上报的相同的紧急路况消息会加密为相同的密文，从而RSU在转发过程可根据密文过滤重复路况消息，有效减少了消息的冗余传输操作，监测中心可以更及时的接收到紧急路况消息，并且有效避免了监测中心重复调度救援车辆。

3、本发明同时考虑了救援过程中的道路规避问题，监测中心采用基于身份的广播加密方案生成规避消息广播密文，只有指定广播组中的合法车辆可以解密获得规避消息；同时也只有拥有系统主私钥的监测中心才能生成广播密文，确保了规避消息的真实性与合法性，可以防止一些车辆用户为了自己的便利恶意广播道路规避消息。

附图说明

图1是本发明的系统模型示意图；

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

本实施例中，如图1所示，一种VANET中面向紧急救援场景的道路规避方法所应用的系统场景包括监测中心、路侧单元RSU、车辆。其中，监测中心负责生成系统参数，提供车辆注册服务，对车辆报告的紧急信息进行认证，通知EV进行救援，并为其规划最优路径，同时向该处于救援路径上车辆广播规避信息。RSU负责转发消息，并过滤重复报告信息。车辆可分可分为普通车辆OV、报告车辆RV以及紧急救援车辆EV。OV接收监测中心广播的事故信息，同时在必要时为EV腾出应急车道。RV通常位于事故现场附近，向监测中心报告事故信息。EV通常为救护车、消防车、警车等，需要到达事故现场进行救援。

如图2所示，一种VANET中面向紧急救援场景的道路规避方法包括：系统初始化、实体注册、紧急路况信息报告、规避消息分发与接收。首先由监测中心生成系统公私钥并发布公共参数，而后车辆用户需要进行实体注册以获得其私钥加入车辆网络。以一次事故救援场景为例，当事故发生时，首先由事故现场附近车辆上报该事故消息给监测中心，而后监测中心接收到事故信息后先对该消息进行验证，确定该消息是由合法车辆用户生成并且在传输过程中未被篡改后，调度紧急救援车辆，并向最佳紧急救援路径上车辆广播同时规避消息，提醒车辆及时避让。具体地说，该道路规避方法包括：

步骤1.1：监测中心选择两个大素数p、q以及两个p阶乘法循环群G、G_T，选取G的生成元g₁、g₂，并定义双线性映射e:G×G→G_T；→表示映射操作；

步骤1.2：监测中心选择4个安全哈希函数，分别为 和/>其中，/>表示小于q且与q互素的正整数集合；

步骤1.3：监测中心选择一个安全对称加密方案:c＝Enc(m,k)、m＝Dec(c,k)，其中，m表示明文、c表示密文、k表示加解密密钥、Enc()表示加密算法、Dec()表示加密算法；

步骤1.4：监测中心选择随机数并计算系统公钥pub＝(pub₁,pub₂)，其中，系统公钥pub的第一部分/>系统公钥pub的第二部分/>然后计算公共参数最后设置系统私钥为(s,g₁)，并向车辆用户和RSU发布系统公钥pub和公共参数param；其中，l表示系统中车辆用户的数量；

步骤二：实体注册；

步骤2.1：任意第i个车辆用户通过安全信道向监测中心发送注册请求以及自己的身份ID_i；

步骤2.2：监测中心对所接收到的注册请求和身份ID_i进行合法性验证，若验证通过，则计算第i个车辆用户的私钥并通过安全信道发送给第i个车辆用户后存储在车辆的防篡改设备TPD中；

步骤三：紧急路况信息报告；

步骤3.1：当事故现场附近车辆即第i个车辆用户感知到周围紧急状况时，向监测中心上报紧急路况信息msg；首先，第i个车辆用户的防篡改设备TPD选择随机数并计算假名PID_i＝{PID_i,1,PID_i,2}与签名私钥/>其中，假名PID_i的第一部分假名PID_i的第二部分/>

步骤3.2：第i个车辆用户选取随机数并计算签名辅助验证参数消息哈希值h_i＝H₂(msg,R_i,T_i)，从而生成第i个车辆用户的签名{σ_i,β_i}，其中，签名的第一部分/>签名的第二部分/>T_i为第i个车辆用户发送消息的当前时间戳；

步骤3.3：第i个车辆用户计算收敛密钥ck_i＝H₁(msg)，用于对紧急路况信息msg进行加密并生成消息密文C_i＝Enc(msg,ck_i)，并计算收敛密钥密文 表示异或；

步骤3.4：第i个车辆用户将紧急报告消息{C_i,σ_i,β_i,h_i,T_i,CK_i,PID_i}发送给邻近的路侧单元RSU，路侧单元RSU根据消息密文C_i是否一致，对所接收到的重复紧急报告消息进行过滤，并将过滤后的一条紧急报告消息转发给监测中心；

步骤四：规避消息分发与接收；

步骤4.1：监测中心在接收到紧急报告消息{C_i,σ_i,β_i,h_i,T_i,CK_i,PID_i}后先进行解密，得到紧急路况消息明文并计算验证参数/> 从而判断等式h_i＝H₂(m',R_i',T_i)是否成立，若等式成立，则表示紧急报告消息验证通过，否则，拒绝该紧急报告消息；

步骤4.2：当验证通过后，监测中心调度任意一个紧急救援车辆EV如救护车、消防车，并为其选择最优救援路径后，发送规避消息m^*给最优救援路径上的所有车辆用户；

步骤4.3：监测中心随机选择秘密值并设置广播集合/>其中，H₁(ID_i)表示第i个车辆用户的身份ID_i的哈希值，S为接收规避消息m^*的车辆用户身份哈希值的集合，n为接收规避消息m^*的车辆用户数量；

监测中心计算广播密文CT＝{CT₀,CT₁,CT₂}，从而广播{CT,S,T}；其中，广播密文CT的第一部分CT₀＝m^*·e(g₁,g₂)^α、第二部分第三部分/>T为当前时间的时间戳；该广播密文中嵌入了当前时间的时间戳，保障了恶意车辆用户无法通过重放攻击伪造合法广播密文；

步骤4.4：当最佳救援道路上车辆即第j个车辆用户接收到消息{CT,S,T}后，先检查T_c-T<T_△是否成立，若成立，则进行步骤4.5，否则拒绝接收该消息，其中，T_c为第j个车辆用户接收到消息的当前时间戳，T_△为系统中定义的消息允许时间延迟；

步骤4.5：第j个车辆用户根据其私钥、广播密文、系统公钥和公共参数计算广播解密密钥

步骤4.6：第j个车辆用户使用广播解密密钥V对广播密文第一部分CT₀进行解密后，得规避消息m^*'＝CT₀/V，用于道路避让操作。在此过程中，敌手无法伪造一个合法的广播密文，因为合法车辆用户使用监测中心为其分发的嵌入系统私钥的用户私钥进行解密，这需要敌手知道系统私钥，而系统私钥由监测中心秘密保存，敌手无法获得，所以可以保障合法车辆用户解密的规避消息为监测中心生成，是合法且可信的。

Claims (1)

1.一种VANET中面向紧急救援场景的道路规避方法，其特征是应用于由监测中心、若干个车辆用户、若干个路侧单元和若干个紧急救援车辆所组成的系统中，并包括以下步骤：

步骤一：系统初始化；

步骤1.1：所述监测中心选择两个大素数p、q以及两个p阶乘法循环群G、GT，选取G的生成元g₁、g₂，并定义双线性映射e：G×G→G_T；→表示映射操作；

步骤1.2：所述监测中心选择4个安全哈希函数，分别为H₁：H₂：/> H₃：/>和H₄：/>其中，/>表示小于q且与q互素的正整数集合；

步骤1.3：所述监测中心选择一个安全对称加密方案：c＝Enc(m，k)、m＝Dec(c，k)，其中，m表示明文、c表示密文、k表示加解密密钥、Enc()表示加密算法、Dec()表示加密算法；

步骤1.4：所述监测中心选择随机数并计算系统公钥pub＝(pub₁，pub₂)，其中，系统公钥pub的第一部分/>系统公钥pub的第二部分/>然后计算公共参数最后设置系统私钥为(s，g₁)，并向车辆用户和RSU发布系统公钥pub和公共参数param；其中，l表示系统中车辆用户的数量；

步骤二：实体注册；

步骤2.1：任意第i个车辆用户通过安全信道向所述监测中心发送注册请求以及自己的身份ID_i；

步骤2.2：所述监测中心对所接收到的注册请求和身份ID_i进行合法性验证，若验证通过，则计算第i个车辆用户的私钥并通过所述安全信道发送给第i个车辆用户后存储在车辆的防篡改设备TPD中；

步骤三：紧急路况信息报告；

步骤3.1：当第i个车辆用户感知到周围紧急状况时，向所述监测中心上报紧急路况信息msg；首先，第i个车辆用户的防篡改设备TPD选择随机数并计算假名PID_i＝{PID_i，1，PID_i，2}与签名私钥/>其中，假名PID_i的第一部分/>假名PID_i的第二部分/>

步骤3.2：第i个车辆用户选取随机数并计算签名辅助验证参数/>消息哈希值h_i＝H₂(msg，R_i，T_i)，从而生成第i个车辆用户的签名{σ_i，β_i}，其中，签名的第一部分/>签名的第二部分/>T_i为第i个车辆用户发送消息的当前时间戳；

步骤3.3：第i个车辆用户计算收敛密钥ck_i＝H₁(msg)，用于对紧急路况信息msg进行加密并生成消息密文C_i＝Enc(msg，ck_i)，并计算收敛密钥密文 表示异或；

步骤3.4：第i个车辆用户将紧急报告消息{C_i，σ_i，β_i，h_i，T_i，CK_i，PID_i}发送给邻近的路侧单元RSU，所述路侧单元RSU根据消息密文Ci是否一致，对所接收到的重复紧急报告消息进行过滤，并将过滤后的一条紧急报告消息转发给所述监测中心；

步骤四：规避消息分发与接收；

步骤4.1：所述监测中心在接收到紧急报告消息{C_i，σ_i，β_i，h_i，T_i，CK_i，PID_i}后先进行解密，得到明文并计算验证参数/> 从而判断等式h_i＝H₂(m′，R_i′，T_i)是否成立，若等式成立，则表示紧急报告消息验证通过，否则，拒绝该紧急报告消息；

步骤4.2：当验证通过后，所述监测中心调度任意一个紧急救援车辆EV，并为其选择最优救援路径后，发送规避消息m^*给所述最优救援路径上的所有车辆用户；

步骤4.3：所述监测中心随机选择秘密值并设置广播集合S：/>其中，H₁(ID_i)表示第i个车辆用户的身份ID_i的哈希值，S为接收规避消息m^*的车辆用户身份哈希值的集合，n为接收规避消息m^*的车辆用户数量；

所述监测中心计算广播密文CT＝{CT₀，CT₁，CT₂}，从而广播{CT，S，T}；其中，广播密文CT的第一部分CT₀＝m^*·e(g₁，g₂)^α、第二部分第三部分/> T为当前时间的时间戳；

步骤4.4：当第j个车辆用户接收到消息{CT，S，T}后，先检查T_c-T＜T_Δ是否成立，若成立，则进行步骤4.5，否则拒绝接收该消息，其中，T_c为第j个车辆用户接收到消息的当前时间戳，T_Δ为系统中定义的消息允许时间延迟；

步骤4.5：第j个车辆用户根据其私钥、广播密文、系统公钥和公共参数计算广播解密密钥

步骤4.6：第j个车辆用户使用广播解密密钥V对广播密文第一部分CT₀进行解密后，得规避消息m^*′＝CT₀/V，用于道路避让操作。