[論文レビュー] IBRS: An Efficient Identity-based Batch Verification Scheme for VANETs Based on Ring Signature

Feng Liu, Qi Wang|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2019

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、リング署名を用いて効率的でプライバシー保護型の認証を実現する、VANETs向けのIDベースのバッチ検証方式IBRSを提案する。リングメンバーの選択を制限し、バッチ検証をサポートすることで、計算コストと通信コストを削減。リングサイズ2の条件下で1メッセージあたり署名に127.57ms、検証に255.84msを達成し、従来の方式に比べて効率性とスケーラビリティに優れている。

ABSTRACT

Vehicular ad-hoc networks (VANETs) are one of the most important components in an Intelligent Transportation System (ITS), which aims to provide information communication between vehicles. A safety-critical vehicular communication requires security, privacy, auditability, and efficiency. To satisfy these requirements simultaneously, several conditional privacy-preserving authentication schemes are proposed by employing ring signature. However, these methods have been paid too little attention to the issues like extit{how to choose the valid ring members} or extit{how to set up a ring}. In this paper, we introduce an efficient conditional privacy-preserving scheme which provides an appropriate approach establishing the list of ring members. Moreover, our proposed scheme also supports batch verification to significantly reduce the computational cost. According to the analysis of security, our scheme is sufficiently resistant against several common attacks in VANETs. The performance results show that the proposed scheme is efficient and practical with both low computation and communication cost.

研究の動機と目的

• 車両adhocネットワーク（VANETs）における認証、プライバシー、効率性のバランスをとる課題に対処すること。
• 従来のリング署名ベース方式における制御不能なリングメンバー選択の問題を解決し、監査可能性とセキュリティを損なわないようにすること。
• バッチ検証とIDベース暗号技術を用いることで、VANETsにおける計算および通信オーバーヘッドを低減すること。
• 信頼できる管理機関の制御下でリングメンバーの追跡可能性を可能にすることで、条件付きプライバシーと監査可能性を確保すること。
• 実世界のハードウェア（Raspberry Pi 3b+）を用いた実装と評価を通じて、実用的可行性を検証すること。

提案手法

• 公開鍵証明書の必要性を排除するため、IDベース暗号技術を用いることで通信コストを削減する。
• 信頼できる交通規制センター（TRC）がリングメンバーを管理・認証し、正当な車両のみがリングに含まれることを保証する。
• リングメンバーは事前に配布されたTRCによる検証済みリストから選択されるため、悪意あるメンバーの不正挿入を防ぎ、監査可能性を実現する。
• 複数のリング署名を一度の操作でバッチ検証可能であり、検証時間を顕著に短縮する。
• 双線形ペアリング（MNT159）を用いた楕円曲線暗号を採用し、IDベースの機能と短い署名を実現する。
• 通信コストの測定には、CHERI暗号フレームワークを活用し、シリアル化と圧縮を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VANETsにおける監査可能性を保ちつつ条件付きプライバシーを維持するため、リングメンバー選択をどのように制限できるか？
• RQ2 リング署名ベースのVANETスクリプトにおいて、バッチ検証は個別検証に比べてどの程度の性能向上をもたらすか？
• RQ3 提案されたIDベースリング署名方式は、従来のPKIおよびグループ署名ベース方式と比較して、計算コストおよび通信コストでどの程度優れているか？
• RQ4 Raspberry Pi 3b+のような低リソース車載機器（OBU）上で、効率的かつプライバシー保護型の認証方式を実用的に実装できるか？
• RQ5 本方式におけるリングサイズの増加が、署名および検証の計算コストに与える影響は何か？

主な発見

• 提案されたIBRS方式は、リングサイズ2の条件下で1メッセージあたり署名に127.57ms、検証に255.84msを達成し、Jiangらの方式（16.6msおよび19.92ms）およびZengらの方式（275.02msおよび209.14ms）を大きく上回る性能を示した。
• バッチ検証により、複数メッセージの検証コストが一度の処理で集約され、高スループット環境下での顕著な効率性向上が実証された。
• 通信コストは最小限に抑えられ、1つの署名にわずか90バイトを要した。これはZengらの方式の936バイト、Jiangらの方式の308バイトに比べ顕著に低減された。
• Raspberry Pi 3b+への実装により、低スペックOBUハードウェア上でも本方式の実用性が確認され、計算および通信両面で測定可能な性能向上が得られた。
• 双線形ペアリングの使用により、IDベースの機能と短い署名が実現され、高密度VANET環境におけるオーバーヘッド低減に寄与した。
• 形式的なセキュリティ解析を通じて、なりすまし、再送攻撃、偽造攻撃といったVANETsにおける一般的な攻撃に対して本方式が安全であることが確認された。