[논문 리뷰] IBRS: An Efficient Identity-based Batch Verification Scheme for VANETs Based on Ring Signature

Feng Liu, Qi Wang|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 29.

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)참고 문헌 22인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고정된 링 구성원 선택과 배치 검증을 지원함으로써 계산 및 통신 비용을 줄이는, 링 서명을 사용한 정체성 기반 배치 검증 기법인 IBRS를 제안한다. IBRS는 반복적으로 사용되는 링 구성원 선택 기법을 통해 기존 기법들보다 효율성과 확장성 면에서 뛰어난 성능을 보이며, 링 크기가 2일 때 메시지당 서명 시간이 127.57ms, 검증 시간이 255.84ms를 기록한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 차량 간 네트워크(VANETs)에서 인증, 개인정보 보호성, 효율성 간 균형을 맞추는 데 도전한다.
• 기존 링 서명 기반 기법에서 발생하는 제한 없는 링 구성원 선택 문제를 해결하여 감사 가능성과 보안성을 확보한다.
• 배치 검증 및 정체성 기반 암호 기법을 통해 VANET 내 계산 및 통신 오버헤드를 감소시킨다.
• 신뢰할 수 있는 기관의 제어 하에 링 구성원의 추적 기능을 가능하게 하여 조건부 개인정보 보호성과 감사 가능성을 확보한다.
• 실제 하드웨어(Raspberry Pi 3b+)를 활용한 구현 및 평가를 통해 실용적 구현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 공개 키 인증서가 필요 없도록 정체성 기반 암호 기법을 사용하여 통신 오버헤드를 감소시킨다.
• 신뢰할 수 있는 운송 규제 센터(TRC)가 링 구성원을 관리하고 인증함으로써, 유효한 차량만 링에 포함될 수 있도록 보장한다.
• 악성 포함를 방지하고 감사 가능성을 확보하기 위해 사전에 배포된 TRC 검증 목록에서 링 구성원을 선택한다.
• 다중 링 서명을 한 번의 운영으로 동시에 검증할 수 있도록 지원함으로써 검증 시간을 크게 단축시킨다.
• 이중성 페어링(MNT159)을 사용한 타원 곡선 암호 기법을 활용하여 정체성 기반 기능과 짧은 서명을 실현한다.
• 통신 비용 측정을 위해 CHARM 암호 기반 프레임워크를 활용하고, 직렬화 및 압축 기법을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 링 구성원 선택을 제한함으로써 조건부 개인정보 보호성을 유지하면서도 감사 가능성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 배치 검증 기법은 링 서명 기반 VANET 기법에서 개별 검증 대비 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 기존의 PKI 및 그룹 서명 기반 기법들과 비교했을 때, 제안된 정체성 기반 링 서명 기법의 계산 및 통신 비용은 어떠한가?
• RQ4 Raspberry Pi 3b+와 같은 저자원 차량용 하드웨어에서 효율적이고 개인정보 보호 기능을 갖춘 인증 기법을 실용적으로 구현할 수 있는가?
• RQ5 제안된 기법에서 링 크기가 서명 및 검증의 계산 비용에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 IBRS 기법은 링 크기가 2일 때 메시지당 서명 시간이 127.57ms, 검증 시간이 255.84ms를 기록하며, Jiang et al.의 기법(16.6ms 및 19.92ms)과 Zeng et al.의 기법(275.02ms 및 209.14ms)보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 배치 검증은 다수의 메시지를 한 번의 운영으로 처리함으로써 검증에 소요되는 계산 비용을 크게 감소시켰으며, 고처리량 환경에서 뚜렷한 효율성 향상을 보였다.
• 통신 비용이 최소화되었으며, 단일 서명에 대해 90바이트만 사용한 반면, Zeng et al.의 기법은 936바이트, Jiang et al.의 기법은 308바이트를 사용하였다.
• Raspberry Pi 3b+에서의 구현 결과, 저성능 OBU 하드웨어에서도 실용적인 성능 향상이 확인되었으며, 계산 및 통신 측면에서 유의미한 개선이 있었다.
• 이중성 페어링의 사용은 정체성 기반 기능과 짧은 서명을 가능하게 하여 고밀도 VANET 환경에서의 오버헤드를 감소시켰다.
• 형식적 보안 분석을 통해 도용, 재생 공격, 위조 공격 등의 일반적인 VANET 공격에 대해 기법이 안전하다는 것이 입증되었다.