[论文解读] An Efficient Anonymous Authentication Scheme for Internet of Vehicles

Jingwei Liu, Qingqing Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2018

User Authentication and Security Systems参考文献 21被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于证书无短签名（CLSS）的车联网（IoV）匿名相互认证方案，确保条件匿名性、可追溯性以及低计算开销。通过将CLSS与区域RSU管理策略相结合，该方案实现了车辆与路边单元之间高效、安全且保护隐私的相互认证，在计算效率和可扩展性方面优于现有方案。

ABSTRACT

Internet of Vehicles (IoV) is an intelligent application of IoT in smart transportation, which can make intelligent decisions for passengers. It has drawn extensive attention to improve traffic safety and efficiency and create a more comfortable driving and riding environment. Vehicular cloud computing is a variant of mobile cloud computing, which can process local information quickly. The cooperation of the Internet and vehicular cloud can make the communication more efficient in IoV. In this paper, we mainly focus on the secure communication between vehicles and roadside units. We first propose a new certificateless short signature scheme (CLSS) and prove the unforgeability of it in random oracle model. Then, by combining CLSS and a regional management strategy we design an efficient anonymous mutual quick authentication scheme for IoV. Additionally, the quantitative performance analysis shows that the proposed scheme achieves higher efficiency in terms of interaction between vehicles and roadside units compared with other existing schemes.

研究动机与目标

• 为解决车联网环境中安全、保护隐私且高效的相互认证的迫切需求。
• 解决车载网络中用户匿名性与可追溯性之间的冲突。
• 降低资源受限的车联网设备认证协议中的计算开销。
• 通过区域路边单元（RSU）协作实现可扩展且高效的验证。
• 设计一种在随机预言模型下具有可证明安全性的证书无短签名方案（CLSS）。

提出的方法

• 设计一种新型证书无短签名（CLSS）方案，并在随机预言模型下证明其在自适应选择消息伪造攻击下的存在性不可伪造性。
• 提出一种区域管理策略，即同一地理区域内的RSU协同验证车辆身份，从而降低单个RSU的负载。
• 采用基于伪名的身份机制，通过随机化隐藏车辆的真实身份，确保条件匿名性。
• 在椭圆曲线群中使用双线性对和标量乘法操作，实现高效签名与验证。
• 通过车辆真实身份与RSU身份的哈希值构造会话密钥，确保安全密钥交换。
• 引入带时间戳的消息以防止重放攻击并确保消息新鲜度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在车联网认证中实现条件匿名性，同时允许对恶意车辆的可追溯性？
• RQ2 在资源受限的车载环境中，安全相互认证所需的最小计算开销是多少？
• RQ3 区域内的RSU如何协作以提高可扩展性并减少验证负载？
• RQ4 能否设计一种具有强安全保证且计算成本低的证书无短签名方案，适用于车联网应用？
• RQ5 与现有方案相比，所提方案在签名和验证时间方面的性能表现如何？

主要发现

• 所提出的CLSS方案在随机预言模型下对自适应选择消息伪造攻击具有存在性不可伪造性。
• 与对比方案相比，该方案的计算开销最低，签名仅需2次标量乘法，验证需1次配对运算加3次乘法。
• 性能评估表明，该方案的签名和验证时间最快，且随着车辆数量增加，验证时间的增长速度低于其他方案。
• 在测试环境中，与次优方案（HHC）相比，该方案将总时间消耗降低了最多达40%。
• 区域RSU协作策略在高车辆密度下可实现更快的验证，提升了密集IoV场景下的可扩展性。
• 通信开销与计算开销相比可忽略不计，因此方案的效率主要由密码学操作决定。