[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出IBRS，一种基于身份的VANET批量验证方案，利用环签名实现高效且保护隐私的认证。通过限制环成员选择并支持批量验证，IBRS降低了计算与通信开销——在环大小为2时，每条消息的签名耗时127.57毫秒，验证耗时255.84毫秒，其效率与可扩展性优于现有方案。

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.

研究动机与目标

• 解决车载自组织网络（VANETs）中认证、隐私与效率之间的平衡挑战。
• 解决现有基于环签名方案中环成员选择不受控的问题，该问题损害了可审计性与安全性。
• 通过批量验证与基于身份的密码学，降低VANET中的计算与通信开销。
• 通过在可信机构控制下实现环成员可追溯，确保条件隐私与可审计性。
• 在实际硬件（Raspberry Pi 3b+）上实现并评估该方案，以验证其实际可行性。

提出的方法

• 该方案采用基于身份的密码学，消除对公钥证书的需求，从而降低通信开销。
• 可信的交通监管中心（TRC）负责管理并认证环成员，确保仅合法车辆可被纳入环中。
• 环成员从预先分发且经TRC验证的列表中选取，以防止恶意成员加入，并支持可审计性。
• 该方案支持对多个环签名进行批量验证，仅需一次操作，显著缩短验证时间。
• 采用具有双线性对的椭圆曲线密码学（MNT159），以实现基于身份的功能与短签名。
• 实现过程中利用CHARM密码学框架，并结合序列化与压缩技术以准确测量通信开销。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保障条件隐私的同时，通过限制环成员选择来确保VANET中环成员的可审计性？
• RQ2 在基于环签名的VANET方案中，批量验证相比逐个验证的性能提升如何？
• RQ3 所提出的基于身份的环签名方案在计算与通信开销方面，相较于现有PKI与群签名方案有何差异？
• RQ4 能否在低资源车载硬件（如Raspberry Pi 3b+）上实际实现高效且保护隐私的认证方案？
• RQ5 环大小对所提方案中签名与验证计算开销的影响如何？

主要发现

• 所提出的IBRS方案在环大小为2时，每条消息的签名耗时为127.57毫秒，验证耗时为255.84毫秒，显著优于Jiang等人方案（16.6毫秒与19.92毫秒）及Zeng等人方案（275.02毫秒与209.14毫秒）。
• 批量验证通过单次操作处理多条消息，显著降低了验证的计算开销，在高吞吐量场景中展现出显著的效率优势。
• 通信开销被最小化：单个签名仅需90字节，远低于Zeng等人方案的936字节，也低于Jiang等人方案的308字节。
• 在Raspberry Pi 3b+上的实现验证了该方案在低端OBU硬件上的实际可行性，计算与通信性能均实现可测量的提升。
• 双线性对的使用实现了基于身份的功能与短签名，显著降低了高密度VANET环境中的系统开销。
• 通过形式化安全分析验证，该方案对VANET中常见攻击（如冒充、重放与伪造）具有抗性。