[논문 리뷰] An Anonymous Communication Scheme based on Ring Signature in VANETs

Yichen Jiang, Yi Ji외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 07.

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)참고 문헌 21인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 중앙 집중식 기관이나 도로변 인프라에 의존하지 않고 데이터 무결성, 다중 수준의 프라이버시 및 감사 가능성을 보장하는 차량 간 네트워크(VANETs)를 위한 인증서 기반 린지 서명 기반 익명 통신 기법을 제안한다. 이 기법은 차량이 동적으로 익명 그룹을 형성할 수 있게 하고 서명 길이를 단축시키며, 거의 정상적인 서명 계산 오버헤드를 달성하여 실시간 차량 응용 프로그램에 효율적이다. 프로토타입을 통해 실현 가능성도 입증하였다.

ABSTRACT

Vehicular ad hoc networks allow vehicles to connect themselves as networks so that cars could communicate with each other. This paper introduces an anonymous communication scheme providing integrity protection, multi-level privacy and auditability. The scheme is based on a certificateless ring signature proposed in this paper, which is contributed to reduce the length of the signature and simplify the key management. In our scheme, vehicles can compose the anonymous group without the help of road-side infrastructure or central authority. The computation overhead is close to a normal signature scheme, so it is efficient in most application scenarios. We also present a small-scale implementation to show the availability of the prototype system.

연구 동기 및 목표

• 기존의 가명 기반 및 군집 서명 기반 기법의 한계를 해결하기 위해 도로변 인프라 의존, 높은 계산 오버헤드, 그리고 민감한 익명성의 유연성 부족을 해결한다.
• 중앙 집중식 기반 없이도 확장 가능하고 효율적인 익명 통신 메커니즘을 설계하여 다중 수준의 프라이버시와 동적 익명성 조정을 지원한다.
• 차량이 자율적으로 익명 그룹을 형성할 수 있도록 중앙 집중식 등록이 필요 없도록 인증서 기반 없는 린지 서명 기반 기법을 제공한다.
• 공개 키 인증서 대신 사용자 ID를 사용함으로써 서명 길이와 키 관리 복잡성을 줄인다.
• 안전성이 중요한 차량 응용 프로그램(예: 경고 및 알림 시스템)에 적합한 실시간 성능을 달성한다.

제안 방법

• 일반화된 린지 서명 기반의 인증서 기반 없는 린지 서명 기법을 제안하여 공개 키 인증서가 필요 없이 사용자 ID를 이용해 서명을 생성한다.
• 보안과 효율성의 균형을 이루기 위해 계층적 키 구조를 도입하여 계산 오버헤드를 최소화한다.
• 중앙 기관의 조정 없이 차량이 동적으로 린지 구성원을 선택하는 자율적 그룹 형성 프로토콜을 구현한다.
• 형식 A1 곡선 기반의 페어링 암호 기법을 사용하여 페어링 연산 수를 줄이고 효율적인 검증을 가능하게 한다.
• 메시지 원본의 구분 가능성과 감사 가능성을 위한 비인정 방지 기능을 지원하는 프로토콜을 설계한다.
• PBC 및 PolarSSL 라이브러리를 사용하여 PC 플랫폼에서 소규모 프로토타입을 구현하여 성능과 견고성 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중앙 기관이나 도로변 인프라에 의존하지 않고도 분산형 린지 서명 기반 기법이 VANET에서 강력한 프라이버시와 무결성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 계산 효율성을 유지하면서도 차량 네트워크에서 다중 수준의 익명성을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 실시간 차량 응용 프로그램에서 기존 서명 기법과 비교해 인증서 기반 없는 린지 서명 기법의 성능 오버헤드는 어느 정도인가?
• RQ4 제안된 기법이 동적 익명성 조정을 지원하여 차량이 필요에 따라 자신의 익명성 수준을 제어할 수 있는가?
• RQ5 계산 비용과 통신 비용 측면에서 기존 기법들인 TAA와 RSB와 비교해 이 기법의 효율성은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 기법은 100개 메시지당 평균 계산 비용이 10.9ms로, TAA(100.6ms)와 RSB(2320.3ms)보다 크게 낮아 높은 효율성을 입증한다.
• 서명과 검증에 각각 (3r−1)개와 (3r)개의 스칼라 곱셈만을 요구하며, r=10일 경우 매우 효율적인 성능을 보인다.
• 프로토타입 구현을 통해 실제 환경 조건에서도 시스템의 가용성과 견고성이 확인되었으며, 10인의 린지에 대해 1KB의 서명 크기를 유지해 무선 전송 속도(최대 740.07Kb/s)를 고려할 때 부적절하지 않다.
• 공개 키 인증서 대신 사용자 ID를 사용함으로써 서명 길이를 단축시키고 키 관리 복잡성을 간소화하여 확장성 향상과 오버헤드 감소를 달성한다.
• 보안 분석을 통해 일반적인 공격(예: 무단 참가)에 저항 가능하며, 비인식 방지 기능과 원본 식별 기능을 지원한다.
• RSB가 더 강력한 보안 모델을 제공하지만, 복합 순서 곡선을 피하기 때문에 RSB보다 효율성이 뛰어나 실시간 차량 응용 프로그램에 더 실용적이다.