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基于代理签名的车辆自组网的隐私保护研究

作　者: 杨涛
导　师: 陈钟
学　校: 北京大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 车辆自组网隐私保护条件隐私浮动车 VANET DSRC
分类号: TP212.9
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

车辆自组网（Vehicular ad hoc network，简称VANET）是物联网浪潮在智能交通领域所新兴的一种重要应用形态，主要涉及移动自组织网络和传感器网络，近年来已经成为了学术界和工业界共同的研究热点。VANET旨在提升道路交通的行车安全和行车效率，能够有效加强交通安全、防范治理拥堵和改善驾乘环境，具有迫切的实用需求，广阔的应用前景，以及改善民生的重大战略意义。但同时，VANET中隐私信息比较丰富并且十分敏感，加上规模大，速度快，开放性等特点，使得VANET面临严重隐私泄露威胁。人们在担忧其安全和个人隐私得不到充分保障的情况下，不太可能接受和参与VANET，这严重制约了VANET的进一步发展和应用。因此，设计有效的隐私保护机制就逐渐成为了VANET研究与设计、应用与部署中的一个至关重要的紧迫性、基础性和挑战性的问题。目前，有越来越多的研究者投入到这个热点领域，挖掘出了很多问题，并积累了不少成果。但目前还是缺乏对VANET隐私保护进行针对性的系统视角的体系架构研究，现有的隐私保护协议的综合效率、实用性、适应性和可扩展性等也具有一定的提升空间。在VANET隐私保护这一主题的指导下，本文专注于VANET应用中需求最迫切的身份隐私保护这个主要研究对象，系统分析了VANET隐私保护领域相关的概念、模型（系统模型和攻击模型）、安全需求和研究现状，并综合考虑了实际生态环境中实用化、可扩展性和部署方面的问题，深入研究了基于代理签名的VANET隐私保护的机制，主要的研究成果包括如下五个方面：(1)在VANET隐私保护体系架构层面上，提出了一个面向实用的基于代理签名簇的隐私保护框架V S PPF：分析了以消息和隐私保护为中心的安全机制，提出了事先预判模式，事中挫败模式和事后追踪等三种基本模式。并以实际可操作性，可伸缩性为基本设计准则，对该框架进行了多方位的深入探讨和分析，自顶向下按辖区划分了四个级别设置，分析了七个关键角色，在基本框架的关键位置嵌入了四个关键代理签名：条件隐私保护型代理签名，身份认证授权型代理签名，防追溯滥用授权型代理签名，业务前置授权型代理签名。该框架不仅具有对车辆隐私进行安全保护的能力，还具备良好的实际部署能力和可扩展能力，可用于规范和指导实际运营系统的建设。(2)针对车-路（V2I）通信的隐私保护，基于路边单元和标准模型下的单跳代理重签名，设计了一个可追溯身份隐私保护协议：TP4RS。认证中心TRC授权路边单元作为代理，将车载单元签名的消息以TRC的名义进行代理重签名，从而很好的消除了根据签名追踪车载单元的风险；必要时，TRC能准确追溯到消息的原始签名者。安全性和性能对照分析表明该协议能够很好的满足VANET中条件隐私保护的目标。(3)针对车-车（V2V）通信的隐私保护，基于城市交通的浮动车辆，设计了一个可追溯身份隐私保护协议：FAPP。FAPP采取浮动车辅助成群隐私保护技术：浮动车F联合周边车辆自发形成一个群组G，F作为组长，负责认证组员有效性、颁发组密钥和规定组参数；F将组员秘密发送给自己的消息匿名化处理后，用组密钥对称加密后再转发给其它组员或者其它组。必要时，TRC能准确定位消息的产生者。安全性和性能分析表明该协议能够很好的满足VANET中车-车通信下条件隐私保护的目标。(4)基于双线性对（Weil对或Tate对）、无证书公钥体制（CL-PKC）和秘密共享机制，设计了一个用于追溯权管理的可追溯门限代理隐私保护协议：TC TPS。追溯权管理机构能将追溯权授权给特定的n个代理人组成的群体，任何大于或等于t个授权代理人合作，就能得到一个合法的代理签名，但少于t个则不能。为了保护代理签名者的隐私，TC TPS的代理签名者具有匿名性，但同时通过特定标签的设置，需要时可通过认证中心准确追溯到实际签名者。TC TPS满足随机预言机下代理签名的安全性，消除了密钥托管问题，并具备较好的效率。(5)基于上述框架和协议，提出了一个VANET隐私保护系统：PKU V P P S，给出了该系统的体系架构并进行了深入的分析和探讨。P KU V P P S系统以T P4RS，F AP P，T C T P S等协议为关键技术支撑点，不仅具有对车辆隐私的保护能力，还具备良好的实际部署能力和可扩展能力。通过系统设计原则的确定，子系统的规划和设计（包括管理总中心子系统，管理分中心子系统，追溯事件审计子系统，路边单元运维子系统，路边单元子系统，车载单元子系统，应用子系统簇），进一步对实际系统的建设提出了直接的指导意见。系统分析表明PKU V PPS能很好的满足VANET隐私保护系统的各项需求。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-16
第一章绪论  16-26
  1.1 研究背景  17-20
    1.1.1 车辆自组网  17-19
    1.1.2 车辆自组网隐私保护  19-20
  1.2 研究目的和意义  20-22
    1.2.1 面临的挑战  20-22
    1.2.2 现有研究工作的不足  22
    1.2.3 研究目标  22
  1.3 本文主要工作  22-24
  1.4 文章组织结构  24-26
第二章密码学基础理论  26-30
  2.1 双线性映射  26
  2.2 代理签名  26-27
  2.3 代理重签名  27
  2.4 秘密分享和门限签名  27-28
  2.5 无证书门限代理签名  28-30
第三章车辆自组网隐私保护  30-56
  3.1 VANET概述  30-37
    3.1.1 定义  30-32
    3.1.2 VANET特点  32-33
      3.1.2.1 不利因素方面  32
      3.1.2.2 有利因素方面  32-33
    3.1.3 VANET模型  33-36
    3.1.4 VANET应用  36-37
      3.1.4.1 安全类应用  36
      3.1.4.2 非安全类应用  36-37
  3.2 VANET隐私保护问题  37-44
    3.2.1 隐私泄露威胁  38-39
    3.2.2 隐私保护定义  39-41
    3.2.3 隐私保护机制  41-43
      3.2.3.1 立法保护模式  41
      3.2.3.2 行业自律模式  41-42
      3.2.3.3 技术保护模式  42-43
    3.2.4 隐私保护协议  43-44
  3.3 安全攻击和需求  44-48
    3.3.1 攻击模型  44-45
    3.3.2 安全需求  45-48
  3.4 研究现状  48-56
    3.4.1 HAB方案  48
    3.4.2 GSB方案  48-49
    3.4.3 GBW方案  49-50
    3.4.4 ECPP方案  50-51
    3.4.5 Hybrid方案  51
    3.4.6 DCS方案  51-52
    3.4.7 WDG方案  52
    3.4.8 现有方案的不足  52-56
第四章 PS-PPF(隐私保护框架)、TP~4RS(V2I)和F AP P (V2V)条件隐私保护协议  56-96
  4.1 以消息和隐私保护为中心的安全机制  56-58
    4.1.1 隐私保护基本模式  57
    4.1.2 系统的安全监管  57-58
    4.1.3 消息的安全生成  58
    4.1.4 消息的安全传播  58
    4.1.5 消息的安全追溯  58
  4.2 PS-PPF：基于代理签名的VANET隐私保护基本框架  58-61
    4.2.1 PS-PPF顶层结构  59-60
    4.2.2 PS-PPF底层结构  60
    4.2.3 代理签名  60-61
  4.3 TP~4RS：一个基于RSU和代理重签名的可追溯VANET隐私保护协议  61-69
    4.3.1 系统初始化  62-64
      4.3.1.1 系统建立  62-63
      4.3.1.2 RSU密钥生成  63
      4.3.1.3 OBU密钥生成  63-64
      4.3.1.4 代理重签名密钥生成  64
    4.3.2 消息产生  64-65
      4.3.2.1 OBU签名  65
      4.3.2.2 RSU重签名  65
    4.3.3 消息验证  65-67
      4.3.3.1 OBU签名的消息验证  65-67
      4.3.3.2 RSU重签名的消息验证  67
    4.3.4 追溯  67-68
    4.3.5 身份撤销  68-69
  4.4 TP~4RS协议分析  69-81
    4.4.1 正确性分析  69
    4.4.2 安全性分析  69-71
    4.4.3 性能分析  71-79
      4.4.3.1 存储开销分析  72-75
      4.4.3.2 计算开销分析  75-78
      4.4.3.3 通信开销分析  78-79
    4.4.4 脆弱性分析  79-81
  4.5 FAPP ：一个浮动车辅助的可追溯V2V通信隐私保护协议  81-91
    4.5.1 系统初始化  82-85
      4.5.1.1 系统建立  82
      4.5.1.2 OBU密钥生成  82-83
      4.5.1.3 FOBU密钥生成  83-84
      4.5.1.4 RSU密钥生成  84-85
    4.5.2 以FOBU为组长构建群组  85
    4.5.3 消息产生  85-88
      4.5.3.1 消息产生  86-87
      4.5.3.2 消息群内转发  87-88
    4.5.4 消息验证  88-89
    4.5.5 追溯  89-90
      4.5.5.1 分离模式的追溯  89-90
      4.5.5.2 聚合模式的追溯  90
    4.5.6 身份撤销  90-91
  4.6 FAPP 协议分析  91-94
    4.6.1 正确性分析  91
    4.6.2 安全性分析  91-92
    4.6.3 性能分析  92-93
      4.6.3.1 计算开销分析  92-93
      4.6.3.2 存储开销分析  93
      4.6.3.3 通信开销分析  93
    4.6.4 脆弱性分析  93-94
  4.7 本章小结  94-96
第五章 PKU-VPPS：基于TP4RS,FAPP,TCTPS协议的VANET隐私保护系统  96-126
  5.1 系统设计总体框架  96-102
    5.1.1 设计思路  96-97
    5.1.2 系统假设  97-98
    5.1.3 设计原则  98-100
    5.1.4 需求分析和设计目标  100-102
  5.2 系统模型  102-104
    5.2.1 认证中心  102-103
    5.2.2 路边单元  103-104
    5.2.3 车载单元  104
    5.2.4 服务提供商  104
  5.3 体系架构  104-106
  5.4 分布式权力管理（DM）  106-108
    5.4.1 认证中心（TRC）  106
    5.4.2 执行分支（PED）  106-107
    5.4.3 追溯分支（TED）  107
    5.4.4 运维中心（OC）  107-108
  5.5 密钥管理（KM）  108-111
    5.5.1 密钥和证书产生  108
    5.5.2 密钥分发和存储  108
    5.5.3 临时证书池  108-110
    5.5.4 身份撤销  110-111
  5.6 关键技术  111-119
    5.6.1 TP~4RS：可追溯V2I通信隐私保护协议  111-112
    5.6.2 FAPP ：可追溯V2V通信隐私保护协议  112-113
    5.6.3 TCTPS：追溯权控制协议  113-119
      5.6.3.1 协议构造  113-117
      5.6.3.2 正确性分析  117
      5.6.3.3 安全性分析  117-118
      5.6.3.4 性能分析  118-119
    5.6.4 RSU防护和评测技术  119
      5.6.4.1 主机加固  119
      5.6.4.2 入侵检测  119
  5.7 系统整体分析  119-123
    5.7.1 安全性分析  119-122
    5.7.2 其它方面分析  122-123
  5.8 本章小结  123-126
第六章总结和展望  126-130
  6.1 总结  126-127
  6.2 展望  127-130
参考文献  130-138
附录 A 协议正确性证明分析  138-142
  A.1 TP~4RS协议正确性证明分析  138-139
  A.2 FAPP 协议正确性证明分析  139
  A.3 TCTPS协议正确性证明分析  139-142
在学期间的研究成果  142-144
致谢  144

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