摘要：車聯(lián)網(wǎng)由于其開放性以及動(dòng)態(tài)性等特性，需要完善車輛節(jié)點(diǎn)信任評(píng)估機(jī)制，建立車輛間可靠信任關(guān)系。本文從身份與信任兩方面對(duì)車輛安全進(jìn)行評(píng)估，提出了一種基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)安全通信策略(BSCSIo)。利用橢圓曲線加密算法實(shí)現(xiàn)身份注冊(cè)及驗(yàn)證，綜合考慮基于Beta分布的直接信任值與基于PageRank算法的推薦信任值，求得車輛綜合信任值評(píng)價(jià)其可信度。利用RAFT共識(shí)機(jī)制的區(qū)塊鏈記錄，查詢車輛的信任值等信息。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提策略能夠識(shí)別惡意車輛，滿足車聯(lián)網(wǎng)車輛高速移動(dòng)性環(huán)境下的高吞吐量以及低時(shí)延的要求。
關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng);區(qū)塊鏈;信任值;認(rèn)證機(jī)制;安全通信;RAFT共識(shí)機(jī)制
概述現(xiàn)今，隨著5G通信的迅速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也隨之不斷完善，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷降低車與車之間(V2V,VehicletoVehicle),車與道路基礎(chǔ)設(shè)施(V2I,VehicletoInfrastructure)間的通信時(shí)延，為道路安全、交通路況等提供了極大的幫助。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過車輛周期性廣播身份、速度、位置及當(dāng)前路段的狀況等信息，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的交互，但由于車輛的高速移動(dòng)性、動(dòng)態(tài)性，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘧兓瑯O易遭受惡意節(jié)點(diǎn)入侵與攻擊，影響到整個(gè)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性能。近年來，車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域安全問題受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。
區(qū)塊鏈評(píng)職知識(shí)：區(qū)塊鏈金融工程師在哪些期刊投稿
為了保證車聯(lián)網(wǎng)安全性，傳統(tǒng)的解決方案采用公鑰基礎(chǔ)設(shè)施PKIPublicKeyInfrastructure對(duì)車輛身份進(jìn)行認(rèn)證[14]，利用加密[56]以及數(shù)字簽名[7等技術(shù)，對(duì)車輛身份及交互信息進(jìn)行管控。為提高隱私保護(hù)能力，車輛周期性接收到證書機(jī)構(gòu)CA,CertificateAuthority所產(chǎn)生的假名，并用假名在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行匿名通信。
利用上述技術(shù)能夠有效地解決防止身份偽裝及隱私泄露，以及抵御篡改攻擊、女巫攻擊等[89]。雖然基于PKI和CA的靜態(tài)信任機(jī)制[10]可有效抵御外部惡意節(jié)點(diǎn)入侵，但是由于車聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P,peer-to-peer)的交互模式，面臨內(nèi)部惡意節(jié)點(diǎn)卻束手無策。惡意車輛節(jié)點(diǎn)在注冊(cè)身份后，以合法身份越過靜態(tài)信任機(jī)制認(rèn)證，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的其他車輛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息欺騙等攻擊[11]，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的安全問題造成了一定的危害。于是起源于社會(huì)學(xué)的信任機(jī)制被運(yùn)用到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模式中，雙方通過歷史行為軌跡對(duì)對(duì)方進(jìn)行信任評(píng)估，能夠有效地排查出環(huán)境內(nèi)部的惡意節(jié)點(diǎn)。
文獻(xiàn)[12]提出基于貝葉斯的信任模型，利用概率評(píng)估可信度。文獻(xiàn)[13]綜合考量交易總數(shù)、交易滿意度、反饋信任度等與信任有關(guān)的參數(shù)，提出了一種基于信任的P2P信任模型。近些年來，許多學(xué)者將車聯(lián)網(wǎng)中的安全技術(shù)與信任機(jī)制相結(jié)合，構(gòu)建車輛節(jié)點(diǎn)間的信任關(guān)系。文獻(xiàn)[14]通過計(jì)算本地以及全局信任相結(jié)合來構(gòu)建一個(gè)反攻擊的信任體系。文獻(xiàn)[15]提出基于人為因素的車輛信息估計(jì)算法，通過車間信任和基于OSN信任的融合，綜合地估計(jì)車輛的總體信任值。文獻(xiàn)[16]在車聯(lián)網(wǎng)中建立信任模型，將可信性檢查和鄰節(jié)點(diǎn)推薦相結(jié)合，抵御中間人攻擊。但上述方案并沒有給出完整的車聯(lián)網(wǎng)信任機(jī)制方案。
如何有效地在車聯(lián)網(wǎng)中實(shí)施信任評(píng)估以及對(duì)評(píng)估的節(jié)點(diǎn)及其信任值進(jìn)行管理，成為車聯(lián)網(wǎng)有待解決的安全問題。作為比特幣的核心技術(shù)，區(qū)塊鏈因其去中心化、開放性、防篡改性、匿名性及可追溯性等特點(diǎn)，成為近年來的熱門話題。區(qū)塊鏈技術(shù)的種種特性與車聯(lián)網(wǎng)安全十分契合，能夠?yàn)檐嚶?lián)網(wǎng)中車輛身份、交互信息的驗(yàn)證、保存提供一個(gè)全新的思路。2008年中本聰在“metzdowd密碼學(xué)郵件列表”提出比特幣的白皮書，成為了區(qū)塊鏈和比特幣的起源。在區(qū)塊鏈技術(shù)興起后，區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種分布式的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存賬本，為物聯(lián)網(wǎng)提供安全的保障[17]。
文獻(xiàn)[18]將SDN與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合來存儲(chǔ)車輛視頻信息，并提出一種信任管理來扼制惡意節(jié)點(diǎn)發(fā)送虛假信息。文獻(xiàn)[19]提出利用位置證明替換工作量證明的區(qū)塊鏈來保存更新車輛的信用值。文獻(xiàn)[20]中提出利用POW以及POS的共識(shí)機(jī)制將含有信任值的區(qū)塊上傳到區(qū)塊鏈中。文獻(xiàn)[21]利用SORT算法計(jì)算車輛的信任值，并通過DPOS共識(shí)機(jī)制對(duì)信息進(jìn)行儲(chǔ)存。文獻(xiàn)[22]雖然采用了聯(lián)盟鏈里面的PBFT機(jī)制，但是還需要利用公有鏈中的POW機(jī)制來選擇Leader節(jié)點(diǎn)。
文獻(xiàn)[23]提出了一種基于聯(lián)盟鏈的車聯(lián)網(wǎng)管理方法，利用改進(jìn)DPOS共識(shí)對(duì)車輛數(shù)據(jù)的安全分享提供了保護(hù)，但是沒有對(duì)車輛的可靠性進(jìn)行分析，進(jìn)而影響對(duì)礦工的判定。上述文獻(xiàn)通過聯(lián)盟鏈與車聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，一定程度上解決了車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部的信任以及信息存儲(chǔ)問題。但是上述文獻(xiàn)多是將公鏈中的共識(shí)機(jī)制應(yīng)用到聯(lián)盟鏈中，無可避免帶來巨大的算力資源浪費(fèi)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能效率較低。
針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的特性以及中心化儲(chǔ)存的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)安全通信策略BSCSIo，通過基于橢圓曲線的加密技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部攻擊的防御，通過基于Beta分布的直接信任和基于Pagerank算法的推薦信任相結(jié)合的信任評(píng)估，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部攻擊的防御。智能合約的設(shè)計(jì)，提供了信息上鏈、查詢以及信任評(píng)估的功能。利用基于RAFT的區(qū)塊鏈技術(shù)，大大降低時(shí)延，提高了吞吐量。
1基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)安全通信策略架構(gòu)
1.1系統(tǒng)模型
本文提出的基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，模型由證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)CA，路側(cè)單元RSU，車輛OBU構(gòu)成，分為數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)共識(shí)層及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層。
1.2策略流程
基于上述模型，本文提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)安全通信策略。首先，需要接入車聯(lián)網(wǎng)的RSU節(jié)點(diǎn)與車輛節(jié)點(diǎn)通過CA機(jī)構(gòu)，進(jìn)行身份注冊(cè)，得到注冊(cè)信息，并將注冊(cè)信息儲(chǔ)存入?yún)^(qū)塊鏈中。車輛間通信時(shí)，通過檢索區(qū)塊鏈，查驗(yàn)交互對(duì)方信息是否屬實(shí)，并計(jì)算對(duì)方車輛在此階段的信任值，判別其可靠性，同時(shí)將本次計(jì)算的信任值存入?yún)^(qū)塊鏈。如果某一車輛的信任值多次低于某個(gè)設(shè)定的信任閾值，則將此車輛假名置于撤銷列表，車輛需重新向CA申請(qǐng)身份注冊(cè)。
1.3基于RAFT共識(shí)機(jī)制的區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)
區(qū)塊鏈通常采用POW共識(shí)機(jī)制來完成對(duì)信息的上傳，雖然去中心化程度以及安全性能高，但是挖礦記賬將浪費(fèi)大量資源及時(shí)間，系統(tǒng)性能較差，無法滿足車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)性及低時(shí)延的要求。本策略使用RAFT作為區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制，其優(yōu)點(diǎn)在于：1)RAFT共識(shí)機(jī)制算法復(fù)雜度僅為(n)，優(yōu)于PBFT的。2)算法可容忍(n1)/2個(gè)故障節(jié)點(diǎn)，有效防止RSU宕機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失等問題。3)對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)，Leader選舉機(jī)制能較好地避免資源被浪費(fèi)，數(shù)據(jù)信息上傳速度快，且不會(huì)出現(xiàn)分叉。RAFT算法中的所有節(jié)點(diǎn)包括三種角色：Leader，Candidate以及Follower。作為強(qiáng)一致性的算法，選舉出的Leader角色能夠決定信息的上鏈。
2安全通信涉及到的區(qū)塊鏈賬本操作均通過智能合約完成。智能合約主要完成三部分功能：信息上鏈和身份信息驗(yàn)證以及信任評(píng)估。智能合約是根據(jù)不同的場(chǎng)景需求制定的相關(guān)策略，通過代碼的方式寫入?yún)^(qū)塊鏈的一種協(xié)議，在觸發(fā)條件后，能夠自動(dòng)完成合約上的預(yù)設(shè)。本文采用智能合約對(duì)車輛信任值以及信息進(jìn)行管理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛信任值的上鏈過程，車輛信任值更改以及更新，以及查找出信任值不符合規(guī)定的所有車輛。
3綜上所述，本文設(shè)計(jì)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)在高發(fā)送速率及低發(fā)送速率下，均呈現(xiàn)較優(yōu)的吞吐量，并維持較低的時(shí)延，可滿足車聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)通信的要求，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的安全可靠性。結(jié)束語本文針對(duì)傳統(tǒng)車聯(lián)網(wǎng)中缺乏對(duì)車輛信任評(píng)估的問題，提出基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)安全通信策略，提高了車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的可靠性和安全性。
利用橢圓曲線加密算法為車輛以及RSU生成通信所需要的證書等信息，對(duì)外部攻擊進(jìn)行抵抗，保證了通信節(jié)點(diǎn)的真實(shí)性。運(yùn)用直接信任和推薦信任相結(jié)合的方法對(duì)車輛信任值進(jìn)行量化判斷，將其與車輛的其他信息一起寫入?yún)^(qū)塊鏈，利用區(qū)塊鏈去中心化、可追溯等特點(diǎn)為車聯(lián)網(wǎng)提供分布式的賬本存儲(chǔ)系統(tǒng)。同時(shí)設(shè)計(jì)智能合約，上鏈查詢信息，對(duì)惡意車輛進(jìn)行評(píng)估監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部攻擊的抵抗。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該策略擁有較好的性能，能夠滿足車聯(lián)網(wǎng)安全需求。下一步工作將針對(duì)RAFT機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，提高車聯(lián)網(wǎng)效率。
參考文獻(xiàn)
[1]WangRuijin,TangYucheng,ZhangWeiqi,etal.Privacyprotectionschemeforinternetofvehiclesbasedonhomomorphicencryptionandblockchaintechnology[J].ChineseJournalofNetworkandInformationSecurity,2020,6(1):4653.王瑞錦,唐榆程,張巍琦等.基于同態(tài)加密和區(qū)塊鏈技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)隱私保護(hù)方案[J].網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報(bào),2020,6(01):4653.
[2]ZhangHao,CaiYing,XiaHongke.RSUbasedAssistingRingFormationSchemeinVANET[J].ComputerScience,2020,47(05):301305.張浩,蔡英,夏紅科.VANET中基于RSU輔助簽名環(huán)形成的方案[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2020,47(05):301305.
[3]ZhaoNan,ZhangGuoan,GuXiaohui.CertificatelessAggregateSignatureSchemeforPrivacyProtectioninVANET[J].ComputerEngineering,2020,46(01):114120+128.趙楠,章國(guó)安,谷曉會(huì).VANET中隱私保護(hù)的無證書聚合簽名方案[J].計(jì)算機(jī)工程,2020,46(01):114120+128.
[4]TanHengchuan,MaMaode,AymenBoudguiga,etal.ASecureandAuthenticatedKeyManagementProtocol(SAKMP)forVehicularNetworks[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2016,65(12):95709584.
作者：李子健，章國(guó)安，陳葳葳
相關(guān)閱讀
