車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全和隱私保護(hù)策略優(yōu)化

摘 要：隨著智能交通系統(tǒng)（ITS）及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)面臨著各方面的安全問(wèn)題。本文分析了車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展面臨的安全和隱私保護(hù)問(wèn)題，通過(guò)構(gòu)建車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全和隱私保護(hù)模型，介紹了車載通信安全系統(tǒng)構(gòu)架的基本元素，并在此基礎(chǔ)上提出構(gòu)架優(yōu)化的相關(guān)措施，在理論層面上提出安全保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化的思路。為車載網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的優(yōu)化提供了參考依據(jù)，為日后車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全面實(shí)施奠定安全保護(hù)基礎(chǔ)，促進(jìn)車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更好地服務(wù)于交通領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：車載網(wǎng)絡(luò)；安全通信；隱私保護(hù)；節(jié)點(diǎn)

近年來(lái)，智能交通系統(tǒng)（ITS）及相關(guān)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于收費(fèi)系統(tǒng)、車隊(duì)物流管理、防盜保護(hù)、交通信息及路測(cè)指示牌等領(lǐng)域。隨著V2V和V2I通信技術(shù)不斷發(fā)展，如環(huán)境分布、交通狀況信息以及車載娛樂(lè)等功能也在逐漸融入車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。而車載通信系統(tǒng)的獨(dú)特之處在于它是一把雙刃劍。一方面，它可以為駕駛員和管理部門提供種類豐富的工具；另一方面，如果沒(méi)有合適的安全保障，將會(huì)有大量針對(duì)車載通信系統(tǒng)的濫用和攻擊。因此，安全和隱私保護(hù)技術(shù)（Privacy Enhancing Technologles，PET）在車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中是非常重要的。對(duì)安全通信協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠有效的保障VC系統(tǒng)安全有序運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)保護(hù)用戶的私人信息。通過(guò)多種協(xié)議認(rèn)證機(jī)制（Certification Authorities，CA）確認(rèn)每個(gè)認(rèn)證管理節(jié)點(diǎn)的身份和相關(guān)信息，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都被唯一認(rèn)證，并持有相關(guān)公共密鑰對(duì)及協(xié)議，滿足系統(tǒng)安全性要求。

1 車載通信安全系統(tǒng)構(gòu)架的基本元素

本質(zhì)上，安全構(gòu)架首先要解決兩個(gè)基本問(wèn)題：①身份、證書和密鑰管理；②加強(qiáng)通信的安全性和隱私性。構(gòu)架的焦點(diǎn)主要集中在加強(qiáng)VC系統(tǒng)無(wú)線部分的安全性以及保護(hù)用戶的隱私，諸如車內(nèi)系統(tǒng)保護(hù)以及數(shù)據(jù)可信度等不作為主要研究對(duì)象。

1.1 授權(quán)機(jī)構(gòu)

授權(quán)機(jī)構(gòu)是指車載網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)中所涉及的有關(guān)于身份和協(xié)議的認(rèn)證與管理的受信任實(shí)體。我們用X表示由地域、行政以及其他因素決定的權(quán)限，S是X的閥值，表示注冊(cè)授權(quán)的系統(tǒng)實(shí)體集合。默認(rèn)情況下，S信任來(lái)自各方的X。節(jié)點(diǎn)可以利用授權(quán)機(jī)構(gòu)建立雙向通信，即便是單向通信也是有意義的。

1.2 節(jié)點(diǎn)認(rèn)證

一個(gè)基礎(chǔ)單元如一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、一輛汽車或是一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)都有：①唯一的身份V；②一個(gè)公共-私有密鑰對(duì)Kv，k；③一個(gè)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)和覆蓋應(yīng)用協(xié)議的模塊；④一個(gè)提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口通信的模塊。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都只在一個(gè)CA上注冊(cè)，并擁有唯一的長(zhǎng)時(shí)效身份和一對(duì)私有公共密鑰對(duì)。節(jié)點(diǎn)屬性和有效時(shí)長(zhǎng)包含在認(rèn)證機(jī)構(gòu)頒布的關(guān)于節(jié)點(diǎn)注冊(cè)和認(rèn)證日期的協(xié)議當(dāng)中。Kv與V的捆綁、Kv與其他數(shù)據(jù)據(jù)的捆綁、與V相關(guān)的屬性通過(guò)身份證書和屬性證書分別來(lái)獲取。

1.3 可信組件

節(jié)點(diǎn)裝有信任組件（ Trusted Components，TC）（內(nèi)置硬件和固件），基本發(fā)揮兩種作用——密碼操作及存儲(chǔ)，用以保護(hù)車輛的加密數(shù)據(jù)（可用于責(zé)任鑒定）。信任組件在與車載軟件的交互是通過(guò)訪問(wèn)和使用安全存儲(chǔ)密鑰、協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的。只有通過(guò)信任組件提供的接口，才可能訪間（讀或?qū)懀┬湃谓M件上存儲(chǔ)的信息并修改它們的功能。信任組件應(yīng)該具有防篡改特性，從而進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)加密材料和其他數(shù)據(jù)的保護(hù)。

1.4 安全通信

保證安全通信的基本方法是對(duì)信息進(jìn)行數(shù)字簽名，即在信息上捆綁時(shí)間標(biāo)記、簽署者的位置以及協(xié)議證書。用這種辦法可以防止信息的修改、偽造、偷換以及攻擊。為了同時(shí)保證安全性和一定程度的匿名性，長(zhǎng)時(shí)效密鑰和證書并不用于安全通信。作為替代，我們使用假名或匿名身份驗(yàn)證的方法。每輛車都裝備了多個(gè)不會(huì)泄露節(jié)點(diǎn)身份的認(rèn)證的公鑰（假名）。這些假名的獲取途徑是通過(guò)可靠的第三方，即假名提供者（ Pseudonym Provider，PNP），來(lái)提供它已在證書權(quán)威（CA）中注冊(cè)。車輛每過(guò)一段時(shí)間r便會(huì)更換一次之前未曾使用過(guò)的假名，使用每個(gè)假名和私人密鑰的時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)r（假名的存在周期）。

2 車載通信的安全和隱私保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 基本安全性

信標(biāo)通常被用于協(xié)同感知應(yīng)用程序中。信標(biāo)每秒發(fā)送γ次，包含發(fā)送者的狀態(tài)信息，如車輛位置、速度以及行駛方向。信標(biāo)的頻率范圍為1～10Hz。信標(biāo)信息是通過(guò)數(shù)字簽名的，同時(shí)綁定了簽名者的證書。更精確地說(shuō)，在完成信標(biāo)信息的拼接之后，在向數(shù)據(jù)鏈路層提交信息m的傳輸之前，發(fā)送節(jié)點(diǎn)（V）會(huì)給出一個(gè)簽名。每個(gè)假名的使用時(shí)間不超過(guò)γ，隨后便被丟棄。應(yīng)考慮以下可能在實(shí)現(xiàn)方面出現(xiàn)的問(wèn)題：假名使用期間的動(dòng)態(tài)適應(yīng)問(wèn)題；用來(lái)“預(yù)加載”V的假名（還包括對(duì)應(yīng)的證書和密鑰）的數(shù)量；預(yù)加載的假名的頻率。

2.2 鄰居通信安全

車輛以高速率發(fā)送安全信標(biāo)，并以此方式獲得附近（物理鄰居）其他車輛頻繁更新的情況。這就是協(xié)同感知的本質(zhì)，這使得車輛能夠掌握其近的與交通有關(guān)的最新信息（如碰撞預(yù)警）。然而在通信識(shí)別的過(guò)程中，車輛還會(huì)發(fā)現(xiàn)其他可以直接到達(dá)的（通信鄰居）節(jié)點(diǎn)（汽車或RSU），這容易成為攻擊者能夠利用的漏洞。攻擊者會(huì)通過(guò)接收并從遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)迅速重新發(fā)送信息來(lái)發(fā)動(dòng)中繼攻擊。認(rèn)證中所包含發(fā)送者的時(shí)間戳、位置等信息，使系統(tǒng)可以執(zhí)行安全鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議來(lái)抵御外部攻擊?；镜睦砟钍歉鶕?jù)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、接收到信息中所包含的位置信息以及渡越時(shí)間（節(jié)點(diǎn)時(shí)間與消息時(shí)間戳之間的差值）來(lái)估計(jì)發(fā)送方和接收方的距離。為了獲得精確的結(jié)果，需要獲取由硬件增加的時(shí)間戳以及針對(duì)時(shí)間戳的密碼保護(hù)。

2.3 基于位置的通信安全

為了向一個(gè)地理上定義的目標(biāo)傳播數(shù)據(jù)，基于位置的通信是在位置的感知節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。節(jié)點(diǎn)保持它們鄰居的位置不變，假設(shè)通過(guò)GPS可以獲取位置信息，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到距目標(biāo)區(qū)域最近的鄰居。然而，這種傳輸模式也可能被攻擊者濫用。與基本的安全功能相似，源節(jié)點(diǎn)對(duì)產(chǎn)生的信息進(jìn)行簽名并綁定對(duì)應(yīng)的證書，作為基于位置的路由和信息分配的基本安全措施。

3 結(jié)語(yǔ)

本文描述了車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展所面臨的安全問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)了安全和隱私保護(hù)技術(shù)的重要性。通過(guò)構(gòu)建車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全和隱私保護(hù)系統(tǒng)，介紹了車載通信安全系統(tǒng)構(gòu)架的基本元素，并在此基礎(chǔ)上提出構(gòu)架優(yōu)化的相關(guān)措施，在理論層面上提出安全保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化的思路。為車載網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的優(yōu)化提供了參考依據(jù)，為日后車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全面實(shí)施奠定安全保護(hù)基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：張靖雯（1990），女，漢族，陜西西安人，長(zhǎng)安大學(xué)碩士，助教，研究方向：車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。