[论文解读] Securing Vehicle to Vehicle Communications using Blockchain through Visible Light and Acoustic Side-Channels

Sean Rowan, Michael Clear+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2017

Advanced Steganography and Watermarking Techniques参考文献 13被引用 59

一句话总结

本文提出使用 CMOS camera 可视光与 ultrasonic 超声声学侧信道，结合一个基于区块链的公钥基础设施，来以极低吞吐量要求安全建立车对车会话密钥。它展示硬件实现、安全原理，以及为低带宽侧信道改编的类似 TLS 的握手。

ABSTRACT

Autonomous and self-driving vehicles are appearing on the public highways. These vehicles commonly use wireless communication techniques for both vehicle-to-vehicle and vehicle-to-infrastructure communications. Manufacturers, regulators and the public are understandably concerned about large-scale systems failure or malicious attack via these wireless vehicular networks. This paper explores the use of sensing and signalling devices that are commonly integrated into modern vehicles for side-channel communication purposes. Visible light (using a CMOS camera) and acoustic (ultrasonic audio) side-channel encoding techniques are proposed, developed and evaluated in this context. The side-channels are examined both theoretically and experimentally and an upper bound on the line code modulation rate that is achievable with these side channel schemes in the vehicular networking context is established. A novel inter-vehicle session key establishment protocol, leveraging both side-channels and a blockchain public key infrastructure, is then presented. In light of the limited channel capacity and the interoperability/security requirements for vehicular communications, techniques for constraining the throughput requirement, providing device independence and validating the location of the intended recipient vehicle, are presented. These reduce the necessary device handshake throughput to 176 bits for creating symmetric encryption and message authentication keys and in verifying a vehicle's certificate with a recognised certification authority.

研究动机与目标

• 在自动驾驶/编队场景中，面对 RF 干扰和中断，推动安全的车对车通信。
• 探索 commodity 硬件侧信道（可通过 CMOS 摄像头的可视光和超声波）用于信令。
• 开发利用区块链进行 PKI 和证书验证的低吞吐量会话密钥建立协议。
• 使用可视标识和车牌数据对通信车辆身份进行认证。
• 评估所提出的侧信道方法的安全性、可行性和吞吐量上限。

提出的方法

• 实现并评估超声波（2 kbps）和 CMOS 摄像头可视光（低至 15 bits/s）的侧信道，用于车对车信令。
• 为每个侧信道开发行编码信号检测与解码算法（算法 1 和 2）。
• 使用基于区块链的公钥基础设施（Blockstack）来存储和验证公钥与证书，并结合分布式哈希表（DHT）。
• 提出在车辆之间使用侧信道的新型 176-bit 对称密钥交换握手，并辅以车牌识别和证书检查以实现身份验证。
• 通过从视觉特征 phi 映射到光源位置 T{phi}，将可视信道绑定到目标车辆，以实现定位验证。
• 采用 TLS 1.2 握手概念，但通过最小化吞吐量并避免使用离线/在线凭证，使用离线/车载区块链数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏持续 RF 支持的情况下，可视光和超声波侧信道是否能提供安全、低吞吐量的车对车通信？
• RQ2 如何将基于区块链的 PKI 和证书机构与侧信道结合，以认证车辆并建立对称密钥？
• RQ3 在现实车辆场景中，所提出侧信道可达到的吞吐量边界和安全特性是什么？
• RQ4 如何通过车牌数据和 CV 基于视觉来增强车辆认证并防止冒充攻击？

主要发现

• 在 30 fps 的 CMOS 摄像头下，视觉侧信道吞吐量可低至 15 bits/s，而超声波可实现约 2 kbps 的双向通信。
• 所提出的握手仅需 176 位数据即可建立对称加密和消息认证密钥。
• 基于区块链的分布式哈希表（Blockstack）使离线/在线密钥数据分发与来自证书机构的证书验证成为可能。
• 该系统在一定程度上实现了实际的向前安全，并通过 phi 到 T{phi} 映射和车牌识别验证接收方车辆是否为目标车辆。
• 超声波信道的物理方向性和可观测的可视信道特性有助于抵御窃听和冒充攻击。