基于區塊鏈的車聯網汽車身份認證技術

張旺 李志強 張相雨

摘要：車載自組織網絡（Vehicular Ad-hoc Network，VANET）最近引起了越來越多的關注，并且人們可以從中獲得各種各樣的服務。但是，這些用戶生活服務很容易引起重大的安全問題，尤其是用戶身份認證。用戶未經認證，非法惡意用戶可能會發起重放攻擊。另外，車輛需要驗證之前收到的消息的有效性和完整性，因為攻擊者可以修改原始消息或插入錯誤消息。因此，在車聯網當中對用戶的身份進行認證至關重要。本文基于區塊鏈的車聯網汽車身份認證方案（Automobile identity authentication scheme）AIAS進行分析。

關鍵詞：區塊鏈;車聯網;身份認證

1 系統概述

1.1 區塊鏈證書

車輛在CA進行注冊并獲得區塊鏈證書，證書由被允許加入聯盟鏈的認證節點CA自動生成，并記錄在區塊鏈里。與傳統的X.509數字證書相比，該證書不需要簽名和簽名算法模塊。傳統PKI通過驗證數字簽名來判斷證書是否被篡改，從而確保數字證書中的身份和公鑰的綁定值得信任。因為區塊鏈數據是防篡改的，所以CA自動生成一個區塊鏈證書，并將該證書的哈希值存儲在區塊鏈作為信任證書，以取代CA在證書上的簽名過程。路邊基礎設施通過在區塊鏈查詢證書的哈希值來代替證書的簽名驗證過程。由于區塊鏈不能更改已經寫入的數據，所以設計的區塊鏈證書沒有證書撤銷列表CRL，如果要吊銷某個證書，只能通過CA生成新的區塊鏈交易覆蓋原來的交易實現證書的撤銷，即只能在寫入時附加數據的狀態。

1.2 系統模型

車聯網中的節點根據不同的職責可以分為三層，即認證機構（Certificate Authority，CA）、路邊基礎設施（Road Side Unit，RSU）、車載單元（On Board Unit，OBU）。服務提供商占據兩層，而用戶占據一層。認證機構CA管理區塊鏈網絡，選擇安全參數，并負責管理新區塊的生成。RSU管理其通信范圍內的所有車輛，通過有線信道和CA通信，通過無線信道與車輛通信。OBU是一種安裝在車輛上的嵌入式傳感器，在加入VANET之前，可以獲得車輛通信所需的相關參數和許可。

2 基于區塊鏈的車聯網汽車身份認證方案

2.1 車輛注冊

汽車用戶第一次使用系統需要先進行身份信息的登記注冊，用戶以后進入車聯網無需進行二次注冊。用戶首先向CA發送注冊信息，CA收到用戶的信息后，驗證注冊信息是否合法，如果合法則CA生成用戶的公鑰PKOBU和私鑰SKOBU。然后，生成區塊鏈證書BCert OBU，該證書包括用戶身份信息和用戶公鑰，而私鑰存儲在車輛中，并在對BCert OBU進行哈希運算后獲得Hash （BCert OBU），發送給車輛。

2.2 車輛與RSU之間的相互認證

車輛在CA上成功進行注冊后，接下來就進行車輛與RSU之間的相互認證，認證過程共分為5步，認證完成之后會生成兩者之間的會話密鑰：

1）OBU→RSU：{Req}

OBU向RSU發送請求訪問信息。

2）RSU→OBU：{R1}

在接收到車輛的請求信息后，RSU響應車輛的請求信息，并向車輛發送隨機數R1。

3）OBU→RSU：{Hash （BCert OBU），Sign SRSU（R1），R1}

在收到RSU的響應信息后，OBU使用RSU的私鑰SKRSU生成隨機數簽名Sign SRSU（R1）。響應RSU的請求后，OBU將OBU區塊鏈證書的哈希值Hash （BCert OBU）、簽名Sign SRSU（R1）和隨機數R1作為消息發送給RSU。

4）OBU→RSU：車輛通過使用自己的私鑰解密獲得KS和PKRSU，并檢查R2的有效性，從而完成車輛對RSU的認證。初始認證后，汽車和RSU將獲得他們之間的會話密鑰KS。通過設置KS的有效時長，汽車和RSU可以在一定的時間間隔內更新一次會話密鑰。綜上所述，利用區塊鏈技術可以解決車聯網中汽車與RSU之間的身份認證問題。此外，通過區塊鏈提供的加密技術對汽車的身份信息進行加密，可以很好地保護用戶的隱私信息。

2.3 方案安全性分析

車聯網汽車身份認證方案能夠有效地保護用戶車輛的身份隱私不被泄露，具有抗重放攻擊性、OBU匿名性、條件隱私保護性及不可否認性、相互認證性等性能。

1）抗重放攻擊性。在認證過程中，可以通過添加隨機數來確保認證消息的新鮮性。任何攻擊者都不能通過截取認證信息來重放，再次通過認證。

2）OBU匿名性。根據方案描述，證書哈希值是通過對OBU的證書進行哈希運算獲得的，RSU可以通過檢查證書的哈希值來判斷車輛是否合法。由于哈希函數的單向性與抗碰撞性使得任何第三方都不能獲得OBU的身份信息，從而保證了OBU的匿名性。

3）條件隱私保護性及不可否認性。由于方案能夠滿足OBU的匿名性，所以具有條件隱私保護性。并且發生糾紛時，RSU可以通過保存的OBU簽名信息，從而對OBU的身份進行追蹤，所以也滿足OBU的不可否認性。

4）相互認證性。在方案中，RSU可以通過檢查CA生成的OBU證書來確認車輛身份的合法性，并生成RSU與OBU之間的共享會話密鑰，從而保證相互認證性。

3 結論

針對車聯網身份認證領域存在的一些問題，提出一種車聯網汽車身份認證方案。方案利用區塊鏈技術自帶的加密技術實現對用戶的證書進行加密，能夠防止用戶證書被篡改。同時還設計一種區塊鏈證書，其相對于X.509證書，結構更加簡單，極大地減少了系統的存儲開銷，無需考慮證書的維護，就可以提高證書認證的效率。方車聯網汽車身份認證案能夠滿足OBU的匿名性、條件隱私保護性、不可否認性、相互認證性，并能抵抗重放攻擊，非常適用于車載自組織網絡。如何進一步提高認證的效率以及實現RSU對車輛的批量認證，是下一步將要進行的工作。

參考文獻

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