CN111988763B - 一种基于公交车缓存的车联网位置隐私保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于公交车缓存的车联网位置隐私保护方法，公交车先根据其线路信息向LBSP获取POI池，行驶过程中公交车根据其当前位置从POI池中选择部分POI数据形成POI列表并向周围车辆进行广播，私家车在接收广播并验证公交车身份后将POI列表存储到车辆的本地缓存中，当私家车需要查询POI信息时，首先在其本地缓存中进行检索，若缓存未命中再以k匿名的方式向LBSP发送查询请求；本发明通过增量更新的缓存更新方法能够有效提高缓存更新效率，减少缓存更新时的通信开销，减少车辆与LBSP的通信次数，提高敌手利用车辆的LBS查询请求数据进行车辆位置追踪的难度，从而有效提高车辆的位置隐私水平。

Description

一种基于公交车缓存的车联网位置隐私保护方法

技术领域

本发明涉及车联网位置隐私安全保护领域，具体涉及一种基于公交车缓存的车联网位置隐私保护方法。

背景技术

自移动自组织网络的发明以来，车载自组织网络(VANET)已经被研究了很多年。众多新兴技术的出现推动了车联网(IoV)的不断发展。目前许多政府都竞相投入到5G的推广当中。5G网络支持低延迟、高数据速率、高带宽、高容量和灵活的车辆对一切(V2X)通信等特性。作为传统VANET的超集，车联网是5G网络的重要应用之一。

所谓车联网(IoV)是一个集成和开放的网络***，包含异构网络、用户以及车辆，还包括车辆持续感知、计算和存储能力。不同类型的车辆使用统一的通信协议与相邻车辆或基础设施进行无线通信。有两种无线通信协议可供车联网使用，分别被称为专用短程频谱(DSRC)和蜂窝车辆对一切(C-V2X)。这两种协议都支持V2X通信，包括车辆对车辆、车辆对行人和车辆对基础设施的，这对应用程序是透明的。使用5G技术，车联网可以减少事故数量，改善道路使用情况。

通过在车辆和服务器之间共享数据，可以在车联网环境中实现安全和娱乐应用程序。安全应用程序根据道路信息及时做出响应，而娱乐应用程序，如导航、音乐和视频应用程序，改善了旅行期间的用户体验。基于位置服务(LBS)作为最关键的娱乐应用之一，被广泛应用与车联网环境中。

在LBS应用程序中，车辆首先向LBS提供商(LBSP)发送查询请求，其中包含车辆当前位置和能够反映车辆兴趣的查询关键字。随后，LBSP返回基于关键字的响应数据，其中包含关于车辆当前位置附近的兴趣点(POI)(例如餐馆、加油站、停车场和车库)的数据。就像硬币有两面一样，当车辆用户享受LBS提供的良好的用户体验的同时，车辆的位置隐私可能会受到损害，因为LBSP拥有车辆的真实位置或者轨迹数据，车辆位置信息的泄漏可能会产生严重后果，如个人犯罪。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于公交车缓存的车联网位置隐私保护方法，将本发明技术方案应用于车联网环境中，使得在车联网进行LBS查询时，能够对车辆的位置隐私进行更加有效的保护。

技术方案：本发明的一种基于公交车缓存的车联网位置隐私保护方法，依次包括以下步骤：

步骤S1、初始化过程：

(1.1)可信中心TA的初始化：可信中心TA随机选择两个大素数p,q和非奇异椭圆曲线y²＝x³+ax+b mod p，a,b∈F_p，并且在群G中随机选择q阶生成元P；TA选择

作为私钥，并计算相应的公钥P_pub＝k_TAP，然后可信中心TA选择一个个对称加密函数Eπ(·)/Dπ(·)和一个安全的哈希函数：h:{0,1}^*→Z_q；TA广播公共参数ψ＝{p,q,a,b,P,h,KT A,Ppub}；

通过初始化过程，可信中心TA将上述公共参数预加载到车辆中，私家车、公交车注册时使用上述参数进行身份认证。

(1.2)私家车和公交车分别在可信中心TA注册，并且获取对应凭证；

步骤S2、认证过程：私家车使用公交车的id以及凭证进行认证；

步骤S3、广播过程，即：公交车首先从基于位置服务提供商LBSP获取POI池，并将它们存储在公交车的板载单元(OBU)中；随后，公交车在行使时，基于公交车当前位置从POI池中挑选附近的POI数据以生成POI列表并将它们广播给周围的私家车；具体过程如下：

(3.1)获取POI池。为最大限度地利用POI缓存数据，选择车辆经常访问的POI数据进行缓存和广播，私家车在接收公交车广播的消息之后，进行身份认证；私家车在接收到公交车广播的POI列表后，将其缓存在车辆中；

(3.1.1)公交车出发前先向LBSP发送一个请求消息以获取当前位置附近的兴趣点POI，其格式为：{id,route_id}，其中id表示公交车的身份，相同线路的公交车在发送请求时使用相同的id；route_id表示公交车的线路信息，即第id路公交车的线路轨迹；

(3.1.2)LBSP根据公交车线路周围POI的流行程度以及其他背景知识(比如天气情况，路况情况，周围停车场剩余车位数量情况等额外的信息)生成POI池，然后向公交车发送一个响应消息，其格式为：{id,PP^id,timestamp}；

公交车id请求的POI池则被表示为：

其中，

是第k个POI的地理位置，

和

分别为POI的名称和类别，车辆使用

和

作为关键字去查询POI信息；

包括和POI相关的信息，例如POI的地址以及额外数据；PP^id表示LBSP为第id路公交车生成的POI池；timestamp表示LBSP生成这个POI池时的时间戳；

(3.2)为降低广播丢包率，公交车需要从POI池中选择一些POI，生成对应适合广播的POI列表。

公交线路在中间自然由车站分隔，每个车站之间的距离大致相同；当公交车停靠在第m站时，从POI池中选择第m站到第m+1站之间公交车路线附近的POI数据以生成POI列表；由于需要本地查询和缓存更新，公交车广播的列表格式定义为{id,PL^id,T}；PL表示公交车从POI池中，挑选指定数量的POI信息生成的便于广播的POI列表；

PL^id表示POI列表，其格式与PP相同，包括POI的位置信息以及和POI相关的数据，PL^id中的POI被附加来自POI池中的时间戳T以生成POI列表；LBSP在服务器缓冲区中保存每个线路公交车所对应的POI池，以便直接响应来自相同线路不同公交车的POI池获取请求；

(3.3)广播POI列表，即道路行驶中，公交车以T_gap为间隔来周期性广播其生成的POI列表，T_gap设置为8到10秒；具体方法为：先将被广播的POI数据构成集合PL＝{p_i，i＝1，2，3...N}，对于要广播POI列表的公交车A，若{(当前时间-上次广播时间)<T_gap}，则开始广播公交车id的POI列表PL^id，以及监听来自周围公交车的广播，将周围公交车命名为B，如果B的id与A相同且Btimestamp≥Atimestamp，则停止广播。

步骤S4、缓存更新过程：

(4.1)基于位置服务提供商LBSP只更新被修改过或者新增的POI数据，以降低通信成本和存储开销。LBSP分析大多数车辆发送的查询请求并检查POI的更新，执行POI池中的添加、删除和修改数据等操作，假设LBSP以U_gap的间隔推送更新补丁(U_gap的大小取决于在此期间PP^id中POI变化的数量，例如可以设置为1至3小时)；LBSP将生成的补丁更新Up：{id,σ,timestamp}推送到公交车，σ表示补丁文件内容；

(4.2)公交车从LBSP接收更新的补丁文件，并将补丁合并到存储在公交车上的PP^id中，同时，POI池中的时间戳将被更新补丁中的时间戳替换，因此POI池中的数据是最新的；

(4.3)如果私家车的本地缓存已经有来自具有相同id的公交车的POI缓存数据，那么比较它们的时间戳；随后，从本地缓存中删除具有时间戳较旧的POI列表，并存储具有较新时间戳的POI列表。

步骤S5、查询过程：

(5.1)使用LBS之前，私家车先使用关键字(

和

)在本地缓存中检索；

(5.2)如果在不同的POI列表中检索到相同的POI，则选择时间戳较新的那个POI列表中的数据；

(5.3)如果在本地缓存未能检索到想要查询的POI数据，则通过虚拟位置生成器生成k-1个假位置，然后向LBSP发送k个查询请求，其中只有一个请求包含了车辆的真实位置。

有益效果：本发明中公交车先根据其线路信息向LBSP获取POI池，行驶过程中公交车根据其当前位置从POI池中选择部分POI数据形成POI列表并向周围车辆进行广播，私家车在接收广播并验证公交车身份后将POI列表存储到车辆的本地缓存中，当私家车需要查询POI信息时，首先在其本地缓存中进行检索，若缓存未命中再以k匿名的方式向LBSP发送查询请求。与现有技术相比，本发明具有以下优缺点：

(1)本发明基于公交车这一实体提出性能更优的缓存方案，不再受限于路边单元(RSU)已经充分部署的强制性假设，仅需要利用现有的公交车即可实现；

(2)将缓存策略和k匿名查询技术有机结合起来，有效地在隐私保护和性能开销之间取得平衡；

(3)本发明的缓存更新部分采用增量更新技术，因此在对公交车上的缓存数据进行更新时，通信开销较低，降低了缓存更新对网络造成的负担。

附图说明

图1为本发明的***结构示意图；

图2为本发明的数据流图；

图3为本发明的***流程框图。

具体实施方式

下面集合具体实例和说明书附图对本发明方案作进行进一步说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，在本发明一实施例中涉及五种参与者，即可信中心TA、基于位置服务提供商LBSP、路边基站BS以及配备有OBU的公交车和私家车。借助于OBU装配的无线通讯模块，车辆(公交车和私家车)能够与可信中心TA、基于位置服务提供商LBSP以及其他车辆通信。

如图2和图3所示，本实施例的一种基于公交车缓存的车联网位置隐私保护方法，包括以下步骤：

(1)***初始化过程：

(1.1)可信中心TA的初始化：可信中心TA随机选择两个大素数p,q和非奇异椭圆曲线y²＝x³+ax+b mod p，a,b∈F_p，并且在群G中随机选择q阶生成元P；TA选择

作为私钥，并计算相应的公钥P_pub＝k_TAP，然后可信中心TA选择一个个对称加密函数Eπ(·)/Dπ(·)和一个安全的哈希函数：h:{0,1}^*→Z_q；TA广播公共参数ψ＝{p,q,a,b,P,h,KT A,Ppub}；

(1.2)私家车和公交车在TA注册，并且获取凭证；

(2)私家车使用公交车的id以及凭证进行认证；

(3)广播过程：

公交车首先从LBSP获取POI池，并将它们存储在公交车的板载单元(OBU)中。随后，公交车在行使时，基于公交车当前位置从POI池中挑选一些附近的POI数据以生成POI列表并将它们广播给周围的私家车。详细过程如下：

(3.1)获取POI池。为最大限度地利用POI缓存数据，选择车辆经常访问的POI数据进行缓存和广播。私家车在接收公交车广播的消息之后，利用过程2.1进行身份认证。为了找到这些流行的POI数据，本实施例假设LBSP在城市中有POI的历史被查询数据，且不涉及个人车辆的隐私。

(3.1.1出发前公交车向LBSP发送一个请求消息以获取POI，其格式为：{id,route_id}，其中id表示公交车的身份，相同线路的公交车在发送请求时使用相同的id。route_id表示公交车的线路信息。

(3.1.2)LBSP根据公交车线路周围POI的流行程度以及其他背景知识生成POI池，然后向公交车发送一个响应消息，其格式为：{id,PP^id,timestamp}。公交车id请求的POI池被表示为

其中

是第k个POI的地理位置，

和

分别为POI的名称和类别，

包括和POI相关的信息，例如POI的地址以及额外数据；

(3.2)生成POI列表。为降低广播丢包率，公交车需要从POI池中选择一些POI，生成适合广播的POI列表。公交线路在中间自然由车站分隔，每个车站之间的距离大致相同。当公交车停靠在第m站时，从POI池中选择第m站到第m+1站之间公交车路线附近的POI数据以生成POI列表。由于需要本地查询和缓存更新，公交车广播的列表格式可以定义为{id,PL,T}。id被用于过程2.1中。PL表示POI列表，其格式与PP相同，包括POI的位置信息以及和POI相关的数据。这些POI被附加来自POI池中的时间戳T以生成POI列表。LBSP在服务器缓冲区中保存每个线路公交车所对应的POI池，以便直接响应来自相同线路不同公交车的POI池获取请求。

(3.3)广播POI列表。公交车在道路上行驶时，使用算法1周期性广播其生成的POI列表。假设公交车以T_gap的间隔广播POI列表，通常设置为8到10秒。具体广播算法如下：

算法1.POI列表广播算法

(将被广播的POI数据构成集合PL＝{p_i，i＝1，2，3...N})

输入：将要广播POI列表的公交车A

While当前时间-上次广播时间<T_gap

步骤1：广播公交车id的POI列表PL^id

步骤2：监听来自周围公交车的广播，命名为B

如果B的id与A相同且Btimestamp≥Atimestamp，则停止广播

(4)缓存更新过程：

随着交通流的变化，不同POI的流行程度也随时间的变化而变化，因此LBSP需要相应地更新公交车中的POI池缓存以保持高缓存命中率。例如，当一个新的加油站在某个地方设立时，周围的车辆可能会经常访问这个POI，这就创造了一个新的流行的POI。传统的缓存更新策略要求用户主动请求服务器以更新无效的缓存数据。因此公交车可以知道发送缓存未命中的私家车数据，这意味着它们知道用户的兴趣。一旦公交车被攻击，用户的隐私信息可能会被泄露。因此，我们设计了一种基于推送的更新策略，而不是需要了解个人用户的兴趣，更好地保护用户隐私。详细策略分为以下三个步骤：

(4.1)LBSP只更新被修改过或者新增的POI数据，以降低通信成本和存储开销。LBSP分析大多数车辆发送的查询请求并检查POI的更新。执行POI池中的添加、删除和修改数据等操作。假设LBSP以U_gap的间隔推送更新补丁，通常设置为1至3小时。这取决于在此期间PP^id中POI变化的数量。LBSP生成补丁后，将更新补丁Up：{id,σ,timestamp}推送到公交车。

(4.2)公交车从LBSP接收更新的补丁文件，并将补丁合并到存储在公交车上的PP^id中。注意，POI池中的时间戳将被更新补丁中的时间戳替换，因此POI池中的数据是最新的。

(4.3)如果私家车的本地缓存已经有来自具有相同id的公交车的POI缓存数据，那么比较它们的时间戳。随后，从本地缓存中删除具有时间戳较旧的POI列表，并存储具有较新时间戳的POI列表。

(5)查询过程：

(5.1)在私家车使用LBS之前，它先使用关键字在本地缓存中检索；

(5.2)如果在不同的POI列表中检索到相同的POI，则选择时间戳较新的那个POI列表中的数据。

(5.3)如果在本地缓存未能检索到想要查询的POI数据，则通过虚拟位置生成器生成k-1个假位置，然后向LBSP发送k个查询请求，其中只有一个请求包含了车辆的真实位置。

本发明中的增量更新的缓存更新方法，其能够有效提高缓存更新效率，减少缓存更新时的通信开销，通过本发明能够减少车辆与LBSP的通信次数，提高敌手利用车辆的LBS查询请求数据进行车辆位置追踪的难度，从而有效提高车辆的位置隐私水平。

Claims (1)

1.一种基于公交车缓存的车联网位置隐私保护方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

步骤S1、***初始化，即可信中心TA生成对应参数，并将其预加载到车辆中；私家车和公交车均在可信中心TA注册，且获取对应凭证；

步骤S2、认证过程，即私家车使用公交车的身份id以及凭证进行认证；

步骤S3、广播过程；公交车出发前先向基于位置服务提供商LBSP发送请求消息以获取公交车线路附近兴趣点POI，LBSP生成对应POI池并向公交车发送响应消息；公交车收到后根据实际情形生成POI列表，公交车行驶时周期性广播其生成的POI列表；

步骤S4、缓存更新过程；位置服务提供商LBSP更新被修改过或者新增的POI数据并生成更新补丁，公交车将接收到的更新补丁进行合并存储，私家车更新本地缓存的POI列表；

步骤S5、查询过程；私家车使用基于位置服务LBS之前，先在本地缓存的POI列表中使用关键字检索待查询的POI数据，然后再更新POI列表；

所述步骤S1中初始化的具体方法为：可信中心TA随机选择两个大素数p,q和非奇异椭圆曲线y²＝x³+ax+b mod p，a,b∈F_p，并且在群G中随机选择q阶生成元P；TA选择

作为私钥，并计算相应的公钥P_pub＝k_TAP，然后可信中心TA选择一个个对称加密函数Eπ(·)/Dπ(·)和一个安全的哈希函数：h:{0,1}^*→Z_q；TA生成公共参数ψ＝{p,q,a,b,P,h,KT A,Ppub}；

所述步骤S3的详细过程为：

S3.1、获取POI池

S3.1.1、公交车出发前向基于位置服务提供商LBSP发送一个请求消息以获取当前位置附近的兴趣点POI数据，其格式为{id,route_id}，其中id表示公交车身份，相同线路的公交车在发送请求时使用相同的id，route_id表示公交车的线路信息，即第id路公交车的线路轨迹；

S3.1.2、基于位置服务提供商LBSP收到请求消息后，根据公交车线路周围POI的流行程度以及其他背景知识生成POI池，然后向公交车发送一个响应消息，其格式为{id,PP^id,timestamp}；

公交车id请求的POI池则被表示为：

其中

是第k个POI的地理位置，

和

分别为POI数据的名称和类别，

包括和POI数据相关的信息；PP^id表示LBSP为第id路公交车生成的POI池；timestamp表示LBSP生成这个POI池时的时间戳；

S3.2、公交车从上述生成的POI池中选择对应POI数据，生成对应适合广播的POI列表：

S3.2.1、当公交车停靠在第m站时，从POI池中选择第m站到第m+1站之间公交车路线附近的POI数据以生成POI列表；

S3.2.2、为便于本地查询和缓存更新，公交车广播的列表格式定义为{id,PL^id,T}；PL^id表示POI列表，其格式被表示为：

PL^id包括POI的位置信息以及和POI相关的数据；PL^id中的POI被附加来自POI池中的时间戳T以生成POI列表；LBSP在服务器缓冲区中保存每个线路公交车所对应的POI池，可直接响应来自相同线路不同公交车的POI池获取请求；

S3.3、广播POI列表；公交车在道路上行驶时，以T_gap为间隔来周期性广播其生成的POI列表；

所述步骤3.3中广播POI列表的具体方法为：先将被广播的POI数据构成集合PL＝{p_i，i＝1，2，3...N}，对于要广播POI列表的公交车A，若{(当前时间-上次广播时间)<T_gap}，则开始广播公交车id的POI列表PL^id，以及监听来自周围公交车的广播，将周围公交车命名为B，如果B的id与A相同且Btimestamp≥Atimestamp，则停止广播；所述步骤S4的具体方法为：

S4.1、基于位置服务提供商LBSP更新被修改过或者新增的POI数据，然后分析车辆发送的查询请求并检查POI的更新，执行POI池中的添加、删除和修改数据操作，LBSP以U_gap为间隔推送更新补丁Up：{id，σ，timestamp}推送到公交车，σ表示补丁文件内容；

S4.2、公交车从基于位置服务提供商LBSP接收更新后的补丁文件，并将补丁合并到存储在公交车上的PP^id中，同时，POI池中的时间戳将被更新补丁中的时间戳替换，因此POI池中的数据是最新的；

S4.3、如果私家车的本地缓存已经有来自具有相同id的公交车的POI缓存数据，那么比较它们的时间戳；随后，从本地缓存中删除具有时间戳较旧的POI列表，并存储具有较新时间戳的POI列表；所述步骤S5的具体方法为：

S5.1、使用基于位置服务LBS之前，私家车先使用关键字在本地缓存中检索；

S5.2、如果在不同的POI列表中检索到相同的POI数据，则选择时间戳较新的那个POI列表中的POI数据；

S5.3、如果在本地缓存未能检索到想要查询的POI数据，则通过虚拟位置生成器生成k-1个假位置，然后向基于位置服务提供商LBSP发送k个查询请求，其中只有一个请求包含了车辆的真实位置。

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