CN110062354B

CN110062354B - 一种用于车联网数据共享基于身份和数学结构的密钥协商方法

Info

Publication number: CN110062354B
Application number: CN201910283484.8A
Authority: CN
Inventors: 沈剑; 郑慧瑶; 黄睿; 孔伟
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2039-04-10
Also published as: CN110062354A

Abstract

本发明是一种用于车联网数据共享基于身份和数学结构的密钥协商方法，该种方法通过定位算法结构，将用户分配到螺旋矩阵中具体的坐标信息中，每个用户分配到一个节点，根据坐标的关系，将用户分成若干子集，子集内的各个用户之间可进行通信，子集内的每个用户也可与其他子集的用户进行通信；各个分配到坐标的节点通过两个回合获得公共会话密钥，每个节点的数据使用会话密钥加密后才能够共享给其他节点。该种密钥协商方法能够适用于任意数量节点，能够保持密钥协商回合复杂度不随节点数量的变化而变化，达到常数级的回合复杂度。

Description

一种用于车联网数据共享基于身份和数学结构的密钥协商方法

技术领域

本发明属于机器人通讯技术领域，具体的说是一种用于车联网数据共享基于身份和数学结构的密钥协商方法。

背景技术

车联网是智能交通***重要的一部分。车联网的使用将大大提高道路安全和交通利用率，在以下情况车联网体现出了巨大的优势。通过车与车(V2V)之间的通信，车辆可以向附近的车辆发送求助信息、危险警告信息如车距等，提高了整个交通***应急处理能力。车辆还可以超视距地判断交通状况选择路线，缓解交通拥堵现象、减少交通事故的发生概率。另外，当车辆变道或者超车时，如果前方车辆阻挡了驾驶员视距，转向信息被包含在安全信息中扩散到前方车辆中，前方车辆收到信息后返回碰撞危险警告就可以阻止变道行为。发送转向信息就可以预知潜在危险，为驾驶员提供了更加安全便捷的驾驶体验。另外，当急救车等特殊车辆执行紧急救援任务时需要获得更高优先级别的行驶权限，这时就可以将带有紧急救援标识的安全信息发送给周围车辆，周围车辆将根据车联智能终端做出统一让行行为，为紧急车辆开辟先行绿色通道。这些便利都来源于车与车之间的数据共享。

为了保证用户的隐私数据，在每次会话开始时，参与者需要协商出一个用来加密共享数据的一次性会话密钥。因此在进行数据交互前，参与者之间需要运行密钥协商协议来生成会话密钥。密钥协商协议在协商过程中不需要权威中心(AC)的参与，就可以达到多个参与者在非安全信道中交换信息，并协商出一个共同的会话密钥的目的。这个会话密钥用于将来的数据交互，且任何一方都不能预先决定最终的会话密钥。

目前车联网数据共享中的密钥协商大致可分为使用环状结构和使用簇状结构两类协议。环状结构的开销较小，但其回合复杂度呈对数级，随着用户数量的增加，所需的回合不断增多。簇状结构的回合复杂度为常数1，但是其降低复杂度的代价是增加时间和通信开销，并且开销呈二次方趋势增加。可以看出，环状结构和簇状结构在大量用户协商密钥时有一定的局限性。面对攻击者的窃听、篡改等攻击手段，车联网通信***必须具有机密性，可认证性的特点。机密性是指传输的数据只能被指定的接受者读取。认证性是指接受者能够确认接受到的数据来自合法的发送者，并且能够确认数据在传输的过程中没有被篡改。在车辆节点的通信范围内，行驶中的车辆可以构成一个组。一个车辆组在协商出一个公共会话密钥后，就可以使用公共会话密钥加密传输的信息，然后再发送给小组内的其他成员，这样就可以达到保护隐私信息的目的。但行驶中的车辆由于其方向、速度的改变会影响其所在车辆组的构成。在一个车辆组里超车和转弯是经常发生的，因此车辆组是一个频繁变化的组。为了保证每次变化后的车辆组通信安全，组密钥需要经常改变。频繁出现的车辆组变更，就要求组密钥协商协议具有高效性。因此设计一个用于车联网数据共享的适应性强且高效的密钥协商协议是必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于车联网数据共享基于身份和数学结构的密钥协商方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于车联网数据共享基于身份和数学结构的密钥协商方法，其特征是：通过定位算法结构，将用户分配到螺旋矩阵中具体的坐标信息中，每个用户分配到一个节点，根据坐标的关系，将用户分成若干子集，子集内的各个用户之间可进行通信，子集内的每个用户也可与其他子集的用户进行通信；各个分配到坐标的节点通过两个回合获得公共会话密钥，每个节点的数据使用会话密钥加密后才能够共享给其他节点，具体密钥协商方法如下：

步骤1，获取每个节点的二维坐标；

步骤1.1，按螺旋矩阵结构排列节点，从1开始依次增加，每个节点对应一个编号，节点间无顺序排列，使用编号作为节点的ID号；

步骤1.2，获取二维坐标，引入直角坐标系，令1号节点为原点建立坐标系，使用节点定位算法为每一个节点分配一个二维坐标；

步骤2，子集内的各个节点用户之间进行通信；

步骤2.1，将所有节点划分成若干子集；

步骤2.2，所有节点计算相关信息，所述的相关信息包括含有私钥的部分会话密钥以及用于认证的值；

步骤2.3，子集内的每个节点将计算得到的相关信息采用点对点的方式发给相同子集内的其它节点；

步骤2.4，每个节点收到子集内其它节点发来的相关信息后，将其它节点的部分会话密钥与本节点的部分会话密钥结合成为新的会话密钥；

步骤3，子集间通信；

步骤3.1，将所有节点重新划分子集，步骤2.1中的每个子集中任取一个节点组合形成新子集；

步骤3.2，所有节点将步骤2.4中合成的会话密钥发送给新子集中其他节点；

步骤3.3，所有节点需对步骤2.4中收到的信息进行认证；提取步骤2.4中收到的部分私钥信息；

步骤4，协商会话密钥：每个节点将步骤3.2收到的会话密钥与节点本身在步骤2.4中形成的新的会话密钥进行结合得到最后的公共会话密钥。

所述的步骤2.1中划分子集的方法为：按照纵坐标相同的原则将符合要求的节点分为同一个子集，所有矩阵上同一行的节点属于一个子集；

所述的步骤3.1中重新划分子集的方法为：按照横坐标相同的原则将符合要求的节点划分为同一个子集，所有矩阵上同一列的节点属于一个子集。

所述的步骤2.3中子集内的每个节点都做相同的动作，每个节点均并行计算信息且并行传输信息；

所述的步骤3.2中新子集中的每个节点均做相同动作，新子集中的每个节点均并行计算信息且并行传输信息。

所述的步骤1中的用户节点不能够构成一个完整的螺旋矩阵时，使用空节点进行补充形成一个完整的螺旋矩阵，该螺旋矩阵是实际使用的通信矩阵。

所述的空节点不参与密钥协商，只用于传递信息，所述的空节点用于计算和存储。

所述的步骤3.3中，所述的认证通过收到的相关信息和公共参数完成。

该种用于车联网数据共享基于身份和数学结构的密钥协商方法能够产生的有益效果为：本发明将螺旋矩阵这一特殊的数学结构应用到密钥协商协议中，使该种密钥协商协议能够适用于任意数量节点，并且最小限度的补充空节点数量。进一步的，该种密钥协商协议能够保持回合复杂度不随节点数量的变化而变化，达到常数级的回合复杂度。并且降低了通信复杂度，从O(n²)降低到

该种密钥协商协议不仅适用于车联网中V2V通信，还可用于各类多点协商环境，例如智能医疗中传感器节点、智能家居中家居节点等。

附图说明

图1为本发明一种用于车联网数据共享基于身份和数学结构的密钥协商方法中车联网数据共享***示意图。

图2为螺旋矩阵一般形态示意图。

图3为螺旋矩阵分区示意图。

图4为最后一个节点落在D1内时，通信螺旋矩阵空节点补充示意图。

图5为最后一个节点落在D2内时，通信螺旋矩阵空节点补充示意图。

图6为最后一个节点落在D3内时，通信螺旋矩阵空节点补充示意图。

图7为最后一个节点落在D4内时，通信螺旋矩阵空节点补充示意图。

图8为螺旋矩阵第一回合子集划分以及通信示意图。

图9为螺旋矩阵第二回合新子集划分以及通信示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，该种基于身份和数学结构的密钥协商方法所使用的环境为车联网数据共享***，该种密钥协商方法通过定位算法结构，将用户分配到螺旋矩阵中具体的坐标信息中，每个用户分配到一个节点，根据坐标的关系，将用户分成若干子集，子集内的各个用户之间可进行通信，子集内的每个用户也可与其他子集的用户进行通信；各个分配到坐标的节点通过两个回合获得公共会话密钥，每个节点的数据使用会话密钥加密后才能够共享给其他节点，具体密钥协商方法如下：

步骤1，首先需要获取节点的二维坐标；

步骤1.1，按照螺旋的规律，顺时针排列出一个矩阵，节点与编号一一对应，为每个节点分配对应的编号。

步骤1.2，如图2所示，将直角坐标系嵌入螺旋矩阵中，以1号节点为原点，建立坐标系。使用定位算法为每个节点分配坐标，具体定位算法如下：

步骤2，子集内通信；

步骤2.1，如图3所示当不需要填充空节点时，使用两条直线L1，L2将整个平面区域分成四个区域S1，S2，S3和S4，其中L1：y＝x，L2：y＝-x。区域的具体描述被定义如下：

因为参与协商的节点数量是任意的，所以存在构不成完整的螺旋矩阵的情况，这时就需要添加空节点将矩阵补充完整。根据最后一个节点的落点不同，分为四个情况，下面对这四种情况详细解释并举例说明：

若最后一个节点落在S1内，如图4所示，例如共有11个节点协商会话密钥，为了构成通信模型需要补充1个空节点，命名为第12号节点，构成3×4的通信矩阵。这时按照第一回合子集划分标准，将12个节点划分为3个子集，分别为A1＝{7,8,9,10}，A2＝{6,1,2,11}，A3＝{5,4,3,12}。

若最后一个节点落在S2内，如图5所示，例如共有13个节点协商会话密钥，为了构成通信模型需要补充3个空节点，分别命名为第14、15、16号节点，构成4×4的通信矩阵。这时按照第一回合子集划分标准，将16个节点划分为4个子集，分别为A1＝{7,8,9,10}，A2＝{6,1,2,11}，A3＝{5,4,3,12}，A4＝{16,15,14,13}。

若最后一个节点落在S3内，如图6所示，例如共有19个节点协商会话密钥，为了构成通信模型需要补充1个空节点，命名为第20号节点，构成4×5的通信矩阵。这时按照第一回合子集划分标准，将20个节点划分为4个子集，分别为A1＝{20,7,8,9,10}，A2＝{19,6,1,2,11}，A3＝{18,5,4,3,12}，A4＝{17,16,15,14,13}

若最后一个节点落在S4内，如图7所示，例如共有22个节点协商会话密钥，为了构成通信模型需要补充3个空节点，分别命名为第23、24、25号节点，构成5×5的通信矩阵。这时按照第一回合子集划分标准，将25个节点划分为5个子集，分别为A1＝{21,22,23,24,25}，A2＝{20,7,8,9,10}，A3＝{19,6,1,2,11}，A4＝{18,5,4,3,12}，A5＝{17,16,15,14,13}。

进一步的，空节点具有计算和存储的能力，且空节点不参与密钥协商，只充当传递信息的作用。

步骤2.2，计算会话密钥必要的信息。车联网***中有一个权威中心AC，AC负责初始化***公共参数，分配节点私钥。首先，AC选择一个Weil对映射e和两个素数阶群G1和G2，其中P是G1的生成元，g是G2是的生成元。其次，AC选择两个哈希函数H1:{0,1}^*→G1^*，H2:{0,1}^*→Zq^*，其中H1是将任意长度的字符串映射到G1上的点，H2是将任意长度的字符串映射到一个整数。最后，AC选择一个随机整数τ作为它的私钥，将Ppub＝τP作为它的公钥。然后发布参数{q,G1,G2,e,P,Ppub,H1,H2}，保持τ是秘密的。每个节点的ID是0,1字符串，AC计算节点的公钥Qi＝H1(IDi)，私钥Si＝τQi，以及Wi＝τH2(IDi)。然后AC将每个节点的私钥通过安全通道发给节点。

子集划分之后，每个节点需要选择一个随机数r_i作为自己的短期密钥。然后计算会话密钥的一部分Mi＝e(P,H2(IDi)r_iSi)。最后为了保证信息的安全性，***要提供认证服务，每个节点需要计算Ri＝H2(ID)(Ppub+r_iP)，

节点将这些计算结果打包成一个信息Ti＝{Mi,Ri,Di}。

步骤2.3，将步骤2.2中打包好的信息Ti发送给子集中的其它用户，这里对传输信道的安全性没有要求。如图8所示，以8个节点为例，因为构不成完整矩阵，所以需要补充一个空节点9号。此时，以节点纵坐标为条件，将纵坐标相同的节点划分为一个子集，分别为A1＝{7,8,9}，A2＝{6,1,2}，A3＝{5,4,3}，节点7需要将T7发送给第8，9号节点，节点8需要将T8发送给第7，9号节点，9号空节点不参与计算，只是充当传递信息的介质。其它子集内的各个节点操作相同。经过第一回合的信息交换，节点7已经收到8号节点计算会话私钥的一部分，节点6已经收到1，2号节点计算会话私钥的一部分，节点5已经收到4，3号节点计算会话私钥的一部分。

步骤2.4，每个节点收到同子集其它节点的信息后，进行信息合成。每个节点计算

其中，节点i和j属于同一子集，其中i,j∈A_x,x∈{1,2,3}。A1集合中节点7收到的信息为M8，则L7＝M7M8，A2集合中节点6收到的信息为M1，M2，则L6＝M6M1M2,A3集合中节点5收到的信息为M4，M3，则L5＝M5M4M3。另外节点9收到的信息为M7，M8，计算结果L9＝L7＝M7M8。

步骤3，子集间通信；

步骤3.1，重新划分子集；打乱第一回合的子集，划分新子集，但是重新划分不会对节点已有的信息造成改变或损失。子集的划分方式在图8的基础上变为图9，所有节点以横坐标为条件，横坐标相同的节点成为一个子集。如图9所示，9个节点被分为3个子集分别是B1＝{7,6,5}，B2＝{8,1,4}，B3＝{9,2,3}，后续的通信都按照此时的子集进行。

步骤3.2，将第一回合形成的部分密钥发给新子集中的其它节点。第一回合结束后，每个节点都收到了其它节点发来的信息，并合成了Li，这时节点需要将储存的Li发送给新子集中的其它节点。如图9所示，节点7需要将L7发送给第6，5号节点，节点6需要将L6发送给第7，5号节点，节点5需要将L5发送给第7，6号节点，其它子集都相同的动作。

步骤3.2，节点在收到Ti后，需要通过Ti中的信息和一些公共参数验证Li的正确性，节点i收到Tj后，需要通过Tj中的信息和一些公共参数验证Lj的正确性，具体做法如下：

若使用Ti中的信息能都得到上述等式，则说明验证通过，Ti中的Mi信息可用。

进一步的，每个节点的等级是相同的，采用分布式思想协商密钥。节点间可以互相传递信息，但收到信息后，节点会对信息进行认证，检验该信息是否来自于合法用户。

步骤4，合成会话密钥：通过收到的Li和自己拥有的Mi即可合成具有所有节点部分公共会话密钥的完整密钥。在第一回合通信中，如图8所示，节点7收到了节点8的会话密钥份额，节点6收到了节点1和节点2的会话密钥份额，节点5收到了节点4和节点3的会话密钥份额。在第二回合通信中，如图9所示，节点7收到了节点6发送的L6信息以及节点5发送的L5信息，其中L6和L5分别含有节点1，2和节点4，3的信息。两次通信后，节点7拥有了节点1，2，3，4，5，6，8的会话密钥份额，再加上自己的份额即可得到所有节点的份额，也就是最终的会话密钥。具体计算如下：

综上所述，本方案解决传统密钥协商方案中的弊端，本方案适用于任意数量节点，并可以动态的增加或减少参与节点数量，解决了现有协议技术中需要限制参与人数的问题。其次本方案解决了在不增加时间开销的条件下，降低了密钥协商回合复杂度，解决了现有协议技术中不能平衡回合复杂度和时间开销的关系。本方案适用于资源受限的车联网环境中，通信复杂度不会因参与节点数量变化而变化。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于车联网数据共享基于身份和数学结构的密钥协商方法，其特征是：通过定位算法结构，将用户分配到螺旋矩阵中具体的坐标信息中，每个用户分配到一个节点，根据坐标的关系，将用户分成若干子集，子集内的各个用户之间可进行通信，子集内的每个用户也可与其他子集的用户进行通信；各个分配到坐标的节点通过两个回合获得公共会话密钥，每个节点的数据使用会话密钥加密后才能够共享给其他节点，具体密钥协商方法如下：

步骤1，获取每个节点的二维坐标；

步骤1.1，按螺旋矩阵结构顺时针排列节点，从1开始依次增加，每个节点对应一个编号，节点间无顺序排列，使用编号作为节点的ID号；节点不能够构成一个完整的螺旋矩阵时，使用空节点进行补充形成一个完整的螺旋矩阵，该螺旋矩阵是实际使用的通信矩阵；所述的空节点不参与密钥协商，只用于传递信息，所述的空节点用于计算和存储；

步骤2，子集内的各个节点用户之间进行通信；

步骤2.1，将所有节点划分成若干子集；按照纵坐标相同的原则将符合要求的节点分为同一个子集，所有矩阵上同一行的节点属于一个子集；

步骤2.2，所有节点计算相关信息，所述的相关信息包括含有私钥的部分会话密钥以及用于认证的值；车联网***中有一个权威中心AC，AC负责初始化***公共参数，分配节点私钥，首先，AC选择一个Weil对映射e和两个素数阶群G1和G2，其中P是G1的生成元，g是G2是的生成元；其次，AC选择两个哈希函数H1:{0,1}^*→G1^*，H2:{0,1}^*→Zq^*，其中H1是将任意长度的字符串映射到G1上的点，H2是将任意长度的字符串映射到一个整数；最后，AC选择一个随机整数τ作为它的私钥，将Ppub＝τP作为它的公钥，然后发布参数{g,G1,G2,e,P,Ppub,H1,H2}，保持τ是秘密的；每个节点的ID是0,1字符串，AC计算节点的公钥Qi＝H1(IDi)，私钥Si＝τQi，以及Wi＝τH2(IDi)；

子集划分之后，每个节点需要选择一个随机数r_i作为自己的短期密钥，然后计算会话密钥的一部分Mi＝e(P,H2(IDi)r_iSi)，最后为了保证信息的安全性，***要提供认证服务，每个节点需要计算Ri＝H2(IDi)(Ppub+r_iP)，

节点将这些计算结果打包成一个信息Ti＝{Mi,Ri,Di}；

步骤3，子集间通信；

步骤3.3，所有节点需对步骤2.4中收到的信息进行认证，提取步骤2.4中收到的部分私钥信息；节点i在收到节点j的信息Tj＝{Mj,Rj,Dj}后，需要通过Tj中的信息验证Li的正确性,

j∈A_x表示节点i和节点j属于同一个子集A_x，若使用Tj中的信息能都得到以下等式，则说明验证通过，Tj中的Mj信息可用：

2.根据权利要求1所述的一种用于车联网数据共享基于身份和数学结构的密钥协商方法，其特征在于：所述的步骤3.1中重新划分子集的方法为：按照横坐标相同的原则将符合要求的节点划分为同一个子集，所有矩阵上同一列的节点属于一个子集。

3.根据权利要求1所述的一种用于车联网数据共享基于身份和数学结构的密钥协商方法，其特征在于：所述的步骤2.3中子集内的每个节点都做相同的动作，每个节点均并行计算信息且并行传输信息；

4.根据权利要求1所述的一种用于车联网数据共享基于身份和数学结构的密钥协商方法，其特征在于：所述的步骤3.3中，所述的认证通过收到的相关信息和公共参数完成。