一种安全且低开销的车辆自组网络认证协议，支持批处理和传输认证

摘要

在车辆自组网（VANET）中，车辆之间通信，每条消息都必须经过验证，以防止恶意干扰。传统的认证方法会逐辆车进行验证，导致显著延迟。为解决这一问题，拟议研究引入了一种结合批处理和传输认证的认证机制。

摘要

车辆自组网（VANETs）需要安全、高效且可扩展的认证机制，以确保车辆和路边单元（RSU）之间的信任。传统的一对一认证方法通常导致较高的通信和计算开销，因此不适合大规模车辆环境。这导致安全交通堵塞，使流程效率低下，不适合实时安全应用。为此，研究提出了一种轻量级认证协议，支持批量和传输认证，使多辆车辆可以同时认证，并允许在RSU之间转移认证有效性而无需重启完整协议。在批量认证中，路边单位会同时验证一组车辆，而不是一次只验证一辆，就像列车员批准一整车预先验证乘客一样，大大减少了路口或收费站的延误。在传输认证中，当车辆从一个路边单元移动到另一个区域时，验证数据会被安全地传输，实现无缝连续性而无需重启流程，类似于音乐会腕带，允许参与者在舞台间移动而无需反复检查。该方案利用切比雪夫多项式的数学特性，提供强安全性且开销较低。性能分析显示，所提方法的通信成本仅为42n字节，计算复杂度明显低于现有方案。这种方法提升了可扩展性，减少了消息交换，并保持了对常见攻击的强大抵抗力，非常适合实时车辆通信。总体而言，该新协议通过降低数据开销、加速认证并高效管理高流量，提升了VANET的实用性，使其成为智能交通系统未来安全且可扩展的解决方案。

引言

车辆自组网（VANETs）使车辆能够相互通信（车对车（V2V）），以及与车辆与路边基础设施（车对基础设施（V2I））进行通信，从而提升交通的安全性和效率。在这种开放无线环境中，任何车辆都可以广播安全信息（例如事故预警或交通更新）;因此，稳健的认证至关重要，以确保消息来源合法。同时，VANET对性能要求严格，车辆之间以高频率（通常每秒10条）交换消息，每条消息在下一条消息到达前仅有几毫秒的时间进行验证。传统的公钥认证方法，如椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）数字签名，如WAVE/IEEE 1609.2标准中的数字签名，会产生显著的计算和通信开销。验证单个ECDSA签名或管理每条消息的公钥证书，可能会让资源受限的机载单元（OBU）不堪重负，并在多条消息同时到达时造成不可接受的延迟。此外，车辆经常更换连接点（从一个路边单元（RSU）移动到另一个），需要反复认证或握手，这会进一步增加延迟。

频道	频率范围（GHz）	优先级	主要职能
CCH-178	5.885 – 5.895	高	认证控制、服务广告、RSU的初始消息分发、批量认证启动。
附表172	5.855 – 5.865	高	时间关键的消息（批次认证确认、紧急安全通知）。
SCH-174	5.865 – 5.875	中高	基于导航的验证，交通感知批处理协调（城市出行场景）。
附表176	5.875 – 5.885	低至中等	广播撤销列表、组凭证更新、定期重新认证警报。
附表180	5.895 – 5.905	媒介	安全的认证后消息交换（对已认证批次的更新/通知）。
SCH-182	5.905 – 5.915	低	非关键服务（云辅助验证、基于互联网的核查、背景信息）。
SCH-184	5.915 – 5.925	中高	高吞吐量应用（视频流、地图分发、认证组的OTA更新）。

表1：安全车载网络的DSRC信道规范。 它解释了VANET中使用的控制信道（CCH）和不同的服务信道（SCH）。所有这些信道均工作在5.855–5.925 GHz的频率范围内，每个信道带宽为10 MHz。这种设置支持顺畅且有序的通信，尤其是在批量认证和重要安全信息时。CCH-178（5.885–5.895 GHz）是主要控制信道。它用于启动认证流程和发送安全相关消息，高优先级的SCH，如SCH-172、SCH-174和SCH-184，用于时间敏感的任务，如紧急警报和大数据传输;中低优先级的SCH，如SCH-176、SCH-180和SCH-182，处理较不紧急的任务，如更新吊销清单、重新认证车辆或管理一般服务。缩写;DSRC = 专用短程通信;VANET = 车辆临时网络;CCH = 控制信道;SCH = 服务信道;GHz = 吉赫兹;MHz = 兆赫兹。

专用短程通信（DSRC）频谱如 表1所示，展示了其在车载网络中的应用。下表列出了专用短距离通信（DSRC）5.9 GHz频段（5.855–5.925 GHz）中的信道分配，每个信道带宽为10 MHz。它强调了车载自组网（VANETs）中使用的控制信道（CCH）和各种服务信道（SCH），以确保通信有序、优先级。178频道作为发起认证流程和广播安全相关消息的主要CCH。高优先级SCH（如172、174和184）支持紧急警报和大数据传输等时间关键应用，而中低优先级SCH（如176、180和182）则处理较不紧急的任务，如取消名单更新、车辆重新认证和一般服务。

另一个挑战是隐私。车辆应在每条消息中不透露永久身份的情况下进行身份验证（以防止被追踪）。诸如假名证书等解决方案通过使用临时身份实现匿名性;然而，他们在发放和撤销大量证书时会产生额外费用。车辆可以使用组签名方案为组签名消息。这样既能验证信息的真实性，又能保持具体车辆的匿名性。然而，这些群签名以及其他公钥方法依赖于复杂的数学，如双线性配对和大型指数。这些操作对于VANET环境来说并不实用，因为VANET始终快速运行且需要低延迟。丢包会让这种情况更糟。因此，需要一种轻量级密码学方法。因此，需要开发一种能够同时快速检查多条消息而不影响隐私和安全的技术。在此背景下，研究人员研究了切比雪夫多项式的应用，这些多项式具有两个适合密码学的重要特征：半群性质和混沌行为。使用切比雪夫多项式运算的主要优点是它们比椭圆曲线消耗的计算复杂度更低。这一特殊性质被用来构建结合对称密码学和公钥密码学理念的新认证系统。例如，它们使用由这些多项式构建的单向函数来创建共享秘密或数字签名，从而提高效率和不可否认性。研究已经显示，当这些切比雪夫协议用于身份验证时，车辆车载单元所需的工作量大大减少。本研究提供了所提方案中使用的基于切比雪夫多项式运算的形式定义和数学细节。具体来说，本研究基于两个类似于经典密码学硬问题的假设：切比雪夫多项式离散对数问题（CPDLP）和切比雪夫多项式迪菲-赫尔曼问题（CPDHP）。这些问题已知在计算上难以解决，这证明伪造车辆认证或冒充有效节点在计算上是不可行的。此外，明确指出，当切比雪夫多项式定义在具有实用比特长度（例如160–256比特）的大有限域上时，从公共多项式中获取多项式次数或秘密参数在当前经典算法下计算上不可^行。

近年来，提出了CDAS（集中式数据认证方案）和DDAS（分布式数据认证方案）两种^{模式，用于}处理车辆到电网（V2G）系统中的电力数据。这两种方法都比早期方法更快、更安全、更高效，并有效保护了用户隐私。然而，这项工作缺乏实际部署，忽视了动态定价场景。有人提出了^一种智能高效的批量认证方案，利用双线性配对和聚合签名同时验证多个电动汽车（EV）签名，以节省时间和最小化计算能力，但该工作未解决区块链对长期存储的影响。有人^{提出了一种}智能批次认证方法，用于利用边缘计算同时检查密集的电子化网络，采用短组签名和无证书密码学以减少延迟并避免证书问题。针对V2G网络的批量认证方法，利用边缘计算和短组签名一次性检查组电动汽车，但该方法未能全面检测电动车在主要拥挤区域的性能，且未明确电动汽车的撤销政策。

曾^提出一个基于区块链的V2G网络隐私数据共享框架，即基于属性加密（ABE）的框架，但该工作未能解决批处理认证问题。为利用区块链和批处理的V2G^{网络创建了}一种保护隐私的认证方法，用于解决基于同时检查电子电台组的椭圆曲线密码学（ECC）。然而，它们未能解决密集网络的可扩展性挑战。基于区块链的V2G密钥管理方案，同时采用批处理，提出了⁸个几个智能合约，用于安全分发、续费和撤销密钥，从而保障EV隐私;然而，它不检查实时工作，也没有明确说明是否可以批量撤销电动车。提出了一种轻量级的VANET批次认证^{方法，使用}切比雪夫多项式以低计算量同时检查多辆车辆。切比雪夫多项式的数学特性有助于避免繁重的密码学步骤，因此系统运行更快，更适合车辆实时通信。它还能维护隐私并提供强有力的安全保障。然而，它并未完全说明如何管理超大规模交通、移动车辆、被取消的用户以及关键更新流程。VANET采用切比雪夫多项式批量认证方案，以¹⁰验证多种车辆ID，延迟更短。切比雪夫多项式中的混沌部分支持匿名ID、密钥生成和隐私。然而，这项研究并未详细解释过繁忙交通、高速车辆、批量移除不良车辆、转移认证以及全密钥处理等内容。创建了轻批量VANET认证系统¹¹，这是一种利用切比雪夫多项式安全系统，低成本同时检查大量车辆。它提供隐私，并在必要时允许追踪。不过，它并未讨论大规模网络。它也未能解决 VANET 规则和全密钥处理的工作。^{提出了一种}基于切比雪夫混沌地图的VANET批次认证方案，用于同时认证多辆车辆，降低计算成本。它通过提供匿名身份、追踪功能和跳过繁重的加密操作来维护用户隐私，因此非常适合实时通信。然而，它并未解释恶意车辆的吊销或遵守VANET规则的原因。^{提出了一种}轻量级批处理VANET网络认证方案，结合认证与密钥协议（AKA）方案，结合切比雪夫混沌映射，同时检查多个车辆消息，以节省时间和工作量。该方案维护了隐私、消息安全，并适合真实流量。然而，它并未解释如何适用于大批量车辆、快速更换RSU或批量移除恶意车辆。为^VANET创建了一种使用切比雪夫混沌映射的轻批量认证方法，以更快、更低的延迟和更少的计算量快速检查大量车辆信息。它维护隐私、安全密钥交换和追踪，无需大量加密，适合实时车辆通信。然而，论文并未解释该系统如何处理大量车辆、撤销行为异常车辆或快速行驶车辆在RSU间切换的情况。它还缺乏与标准VANET协议的集成，且不使用边缘计算来提升性能。

本研究提出了一种VANET认证框架，专门使用基于切比雪夫多项式的机制，在车辆切换过程中批量验证消息和传输认证。批处理验证方案允许RSU或接收车辆同时验证多个消息签名，而非单独验证，这大大减少了流量负载过重时的每条消息^延迟。传输认证协议使车辆在穿越不同RSU覆盖区域时能够持续保持认证状态，而无需在每次跳点进行完整且昂贵的握手。取而代之的是，采用轻量级动态会话机制将认证状态从一个会话或域转移到另一个会话或域。通过在这两个方面都采用切比雪夫多项式，该方案确保VANET实体只需简单的数学运算（如模乘法和多项式求值加法），因此非常适合OBU受限的计算环境。

方案

前奏

系统模型：VANET系统主要由三种实体类型组成：可信权威（TA）、路边单位（RSU）和带车载单位的车辆（OBU）。TA在启动初始化、密钥管理和偶尔撤销中起着核心作用。它完全受信任，通常由政府或基础设施控制。每个RSU是沿路部署的固定单位。这提供了通信基础设施;在该模型中，RSU假设通过安全骨干网（如光纤或安全网络）连接到TA，以便根据需要发送或接收TA的更新。车辆配备OBUs，使车辆与车辆之间（V2V）和基础设施（V2I）通信成为可能。本研究假设OBU拥有防篡改设备（TPD）或安全硬件模块，能够独立存储密码密钥并执行加密操作，保护长期机密免受物理泄露。

通信模型：车辆通过无线信道（如IEEE 802.11p或C-V2X PC5）定期广播一跳消息（如基本安全消息），该信道可被范围内的其他车辆和RSU接收。这些消息必须由接收方认证以确保其有效性。RSU还通过车辆与基础设施（V2I）通信定期向车辆发送信息（交通信号和警告）。在这项工作中，主要关注车辆到基础设施（V2I）消息的认证。这意味着车辆进入RSU覆盖区域时，通过批量认证被RSU认证。V2V认证也可以通过车辆使用相同的签名方案来处理;然而，批量验证在RSU中最为有利，因为RSU可能需要同时验证多辆车辆的消息。

图1：VANET网络中的批量验证。图中展示了用于批量认证的架构，展示了车辆批处理中的多个OBU（如BATCH1和BATCH2）如何通过有线链路连接到中央TA的交叉口或交通点的RSU无线通信。该协议允许使用切比雪夫多项式对高密度流量中的认证请求进行集体验证。每个载体通过计算 T_k（x） mod P，将其与自身身份和时间戳连接，哈希该值，然后传输给 RSU。RSU汇总这些代币并进行集体验证。
缩写;VANET = 车辆临时网络;OBU = 车载单元;RSU = 路边单位;TA = 可信权威。 请点击此处查看该图的放大版本。

VANET中的批量认证：在高密度交通环境中，RSU可能在极短时间内接收来自多辆车辆的认证请求。对每个请求进行单独认证可能导致显著的计算延迟并增加通信开销。如图1所示，拟议的批量认证机制利用切比雪夫多项式的数学性质，实现高效的多载体验证¹⁵。每个车辆通过计算一个切比雪夫多项式 T_vi（T_r（x）模一个大素数 p，其中 v_i 是车辆的私钥，r 是 RSU 的私钥，x 是公基，计算了一个认证令牌_i α。输出与车辆的数字身份和时间戳串接，经过哈希处理后传输到RSU。RSU将所有收到的代币聚合为一个值，并使用模p的关系T_r.∑vi（x）进行集体验证。这种方法显著减少了昂贵的验证操作数量，从而提升了路口、收费站和交通瓶颈等环境中的可扩展性。

图2：VANET网络中的传输认证。图中展示了拟议的轻量级切换认证协议，允许车辆无需完全重新认证即可从当前RSU（路边单元1）移动到下一个RSU（路边单元2），从而降低延迟。RSU1 通过基于哈希的公钥串接和随机值生成授权卡，然后应用切比雪夫多项式运算计算中间参数（ω₁， ω₂）、初始密钥（IK）、加密会话密钥和临时密钥（TK）。这些数值会发送到车辆并转发到RSU2。RSU2通过逆切比雪夫操作验证数据并恢复会话密钥，建立一个安全会话密钥（SK），实现不中断通信。该协议支持快速且安全的切换，适用于高速车载通信环境。缩写; VANET = 车辆临时网络;RSU = 路边单位;IK = 初始密钥;TK = 临时密钥;SK = 会话密钥。 请点击此处查看该图的放大版本。

传输认证以实现无缝切换：随着车辆在RSU覆盖区间移动，每次更换RSU重新进行完整认证会带来延迟，并可能干扰安全会话。如图2所示，传输认证过程实现了安全且轻量级的切换。当前的RSU通过哈希将车辆和RSU的公钥连接以及随机会话参数b_i，生成授权卡AC_i。利用切比雪夫多项式变换 T_AC（x） 模 p，RSU 计算中间值 ω_{1，ω 2} = ω₁ FPK_Ri，会话专用密钥 IK_i = H（ω₁FPK_vi）和加密会话密钥 ω₃ = （E_IKi（SK_i））。最后，临时密钥 TK_i 可由 γ = b_i 推导出来。IK ^i-1 使用另一个切比雪夫变换_{T γ}（x）元组（TK_{i，ω 2，ω 3}）被发送到下一个RSU，RSU用它验证并恢复与车辆的安全通信，无需进行完全的重新认证。该机制确保高速行驶车辆的干扰最小，延迟极低。 

移动性与切换：车辆从网络中一个地点移动到另一个地点，途中可能会遇到多个RSU。通过结合基于切比雪夫多项式的批次认证用于初始RSU访问，以及传输认证用于移动切换，系统实现了可扩展性和连续性¹⁶。批次认证有效处理多辆同时进行车辆认证，而传输认证则减少RSU切换期间的重新认证延迟。这些机制共同构成了一个强大、数学上安全且性能高效的VANET认证框架。

切比雪夫多项式初步

切比雪夫多项式 （T_n（x）） 是认证方案的数学核心概念。它们遵循递归公式，并具备适合单向密码函数的特性。主要的定义和性质如下。

定义：次数为n的切比雪夫多项式（整数n≥0）：

T_n（x） = cos（n arccos x），

对于x [-1,1]。等价地，可以定义在实数上，或者模素数P。表2描述了第一类切比雪夫多项式的前几个T_n（x）至n=4（次数范围为0到4）。

S.No	学位	描述	结果
1	T0（x）	T0（x） = cos（0.arccros x） = cos（0） = 1	T0（x） = 1
2	T1（x）	T1（x） = cos（1.arccros x） = cos（arcos x） = 1	T1（x） = x
3	T2（x）	T2（x） = cos（2.arccros x） = 2cos2（arcos x）-1 = 2x2-1（因为 cos（2θ） = 2cos2θ-1）	T2（x） = 2x2-1
4	T3（x）	T3（x） = cos（3.arccros x） = 4x3-3x （由于 cos（3θ） = 4cos3θ-3cosθ）	T3（x） = 4x3-3x
5	T4（x）	T4（x） = 8x4-8x 2+1 （由于 cos（4θ） = 8cos4θ-8cos2θ+1）	T4（x） = 8x4-8x 2+1

表2：复现关系的评估。 本表展示了第一类切比雪夫多项式的前几个T_n（x）（次数0至4），通过构成所提认证方案数学基础的递归关系计算得出。缩写;T_n（x） = 在 x 处求值的次数为 n 的切比雪夫多项式;n = 多项式次数;x = 输入变量。

一般来说，它们满足以下递现性：

T_n+1（x） = 2xT_n（x） - T_n-1（x），其中_{T 0}（x） = 1，T₁（x） = x 。

这种递现允许高效迭代计算 T_n（x）。

半群性质：与乘法指数类似，切比雪夫多项式表现出具体的复合性质：

T_m（T_n（x）） = T_m.n（x） ，

对于任意正整数 m，n。换句话说，如果先对x应用一个次数为n的切比雪夫多项式，然后对结果应用另一个次数为m的切比雪夫多项式，就等价于直接将次数为m×n的切比雪夫多项式应用于x。这一性质对于在迪菲-赫尔曼中使用切比雪夫多项式（如密钥交换和认证协议）至关重要，因为它类似于循环群中指数化的性质 （g^a）^b = （g^b）^a。

混沌行为：对于度数 n>1 ，映射 x T_n（x）（当 x 属于 [-1,1]）时，已被证明在特定条件下是混沌映射。非正式地说，当 n 很大时，x 的微小变化可能导致_{T n}（x） 发生巨大变化，而_{T n}（x） 在 [-1,1] 中分布，对于 n 大时可以显得随机。这种“伪随机性”在密码学中非常有用，用于产生不可预测的输出。

切比雪夫多项式离散对数问题（CPDLP）：这与离散对数问题类似，但使用切比雪夫多项式。给定素数模P和公共取值x和y = T_n（x）模P，很难找到整数n。换句话说，如果知道x和y，当数字很大时，计算n会非常困难。这类似于经典的离散对数问题，即从 g^a 模 P 中求出 a 很困难。

切比雪夫多项式微分-赫尔曼问题（CPDHP）：给定 x、T_a（x） 和 T_b（x）（对于随机秘密整数 a，b），在不知道 a 或 b 的情况下很难计算 T_a.b（x）。这与Diffie–Hellman问题相呼应：给定^ga和^gb，对手无法计算^gab。在切比雪夫语境中，注意 T_ab（x） = T_a（T_b（x）） = T_b（T_a（x）），这是半群性质;因此，如果双方各知道a，b中的一个，他们都能轻松计算T_ab（x），而只知道单个结果的窃听者则不能。

该方案的安全性依赖于这些假设（CPDLP和CPDHP是难以解决的）。在实际实现中，本研究在有限域（模一个大素数P）中工作，以保证不同的行为。通常，选择一个随机数x作为系统参数（这类似于乘法群中的生成元）。TA会选择这样的x，并将其作为公开参数的一部分发布。那么，切比雪夫多项式可以通过递现公式在 P 下计算。虽然x不属于[-1,1]，但对于[-1,1]之外的值，可以用切比雪夫多项式与双曲余弦之间的同构，或者简单地以模P代数方式处理递归。严格意义上的混沌性质适用于实区间;然而，对于密码学的应用，研究依赖于CPDHP在有限场中由于其难度带来的不可预测性。

攻击模型

在提出的VANET批处理和传输认证框架中，研究人员考虑了一个现实的威胁格局，其中外部和内部对手都可能试图破坏安全通信。外部攻击者是车辆网络之外的实体，旨在拦截、篡改或注入恶意消息，却没有任何合法的认证凭^据。而内部攻击者则是已被攻破或恶意的车辆或RSU，他们已经拥有有效凭证，但滥用这些凭证冒充他人、伪造数据或发动协调攻击。

中间人攻击（MIM）：攻击者截获并转发两个合法方之间的消息，同时可能改变其内容。该协议通过采用基于切比雪夫多项式难度的相互认证和会话密钥协议来缓解这一问题，确保任何截获的数据在计算上都不可行，无法在^{未检测的情况下}操作。

重放攻击：攻击者重发先前捕获的有效消息，以获得未经授权的访问权限或造成网络混乱。研究人员通过在认证过程中加入时间戳和会话标识符来解决这一问题，确保消息仅在短时间窗口内有效，且不能被日后重复使用。

冒充攻击：也包括攻击者试图冒充合法车辆或RSU。通过严格绑定认证过程与唯一的切比雪夫多项式密钥，并在批量和传输认证中验证数字签名，系统确保只有真实参与者才能通信。

窃听攻击：对手被动监控通信以提取敏感信息。拟议方案通过安全生成会话密钥确保机密性;因此，即使数据包被截获，没有密钥时数据包依然无法理解。

串通攻击：多个被攻破的实体合作破解认证协议。批量认证中使用聚合验证和传输认证中的独立验证，防止被攻破的节点集体伪造有效凭证。

象征	描述
Ui	VANET中的第1辆车
RSU	路边单位
TA	可信权威
TSi	车辆生成的时间戳
TARSU	RSU生成的时间戳
TSTA	时间戳由TA生成
ΔT	消息有效性的最大允许时钟差
解离性身份障碍	基于化名的车辆Ui身份
DID的RSU	RSU的基于化名的身份
Tv（x）	带有车辆私钥“v”的切比雪夫多项式
Tv（x）	带有可信权威私钥“b”的切比雪夫多项式
TPKRi（x）	带有RSU公钥的切比雪夫多项式
α我	由车辆Ui计算的恒等哈希
β我	RSU计算的Ui恒等哈希
θi	用于聚合的 UI 多项式验证令牌
θ'agg	期望聚合多项式（计算TA）
θ总量	所有载体 Θi 的聚合多项式积
mi，n i	TA生成的随机会话密钥种子值
Ri，u i	分别分配给RSU和车辆的秘密标量值
公共广播公司RSU	RSU的公钥
PUBUI	车辆Ui的公钥
E1（i），E2（i）	通过哈希计算的遮蔽值以实现机密性
我K（i）	认证/会话密钥交换消息的组成部分
SKi	车辆与RSU之间的最终会议密钥确定
H(.)	抗碰撞哈希函数
ESK（.）/DSK（.）	使用会话密钥进行对称加密/解密
||	串接算符
模P	在大素数 p 上的模运算

表3：符号。 本表列出了论文中所采用的关键符号、参数和密码学符号。

拟议方案：

该方案主要由两个组成部分组成：（i）使用切比雪夫多项式的批量消息验证机制，以及（ii）用于RSU之间车辆切换的传输认证协议。本研究首先概述了系统设置，随后在后续章节详细描述每个组件，同时表 3中展示了术语和符号。

车辆登记：

步骤1：每辆车启动认证流程。设有n辆车u_{1，u 2，u 3}......，u_n在时间t尝试用同一RSU进行认证。每个车辆u_i计算：

α_i = H（DID_ui||T_vi（T_b（x）） ||TS_i）（1）

然后_，你发送：

I₁^（i） = （α_{i，DID ui，TS i}）（2）

给RSU。

步骤2：RSU在收到所有_I-1^（i）后聚合并准备批处理认证，RSU执行：

1. 时间戳验证：|TS_c - TS_i|≤ ΔT
2. 计算每个载体的RSU响应哈希：β_i = H（DID_RSU||T_ri（T_b（x））||TS_RSU）
3. 计算切比雪夫标记：θ_i = T_vi（T_PKRi（x）） mod P
4. 合并所有代币：   
5. 准备批处理消息： 并发送给TA。

步骤3：TA验证批次签名

1. 验证时间戳：TS_TA - TS_RSU ≤ ΔT
2. 检查RSU哈希：β_i^* = H（DID_RSU ||T_b（T_ri（x）） ||TS_RSU）= i β 
3. 检查车辆哈希：α_i^* = H（DID_ui||T_b（T_vi（x）||TS_i） = α_i 
4. 聚合验证：_θ'agg = T_∑vi（x）mod P
H（θ_agg） = H（θ_agg^'） 如果全部通过，认证成功。

步骤4：对每个u_i 、TA执行以下操作的会话密钥批量建立：
1. 计算：E₁^（i） = H（PUB_RSU||我_||TS_RSU）
E₂^（i） = H（PUB_ui||五_||TS_i） 。
2. 生成随机值 m_{i，n i Z}^*_P 
3. 计算会话密钥：SK_i = H（m_i||N_i||我_||五_i）
4. 构建加密组件：
I₃^（i） = H（m_i）E₁^（i） 
I₄^（i） = H（n_i）E ₂^（i）
I₅^（i） = SK_iH（m_i）
I₆^（i） = SK_iH（n_i）
发送捆绑包：{I₃^（i），I₄^（i），I₅^（i），I₆^（i），TS_TA}ⁿ_i=1 

步骤5：RSU_向每辆车发送会话信息 
1. 恢复：H（m_i） = I₃^（i）E₁^（i） 
SK_i = I₅^（i）H（m_i）
2. 发送_{给你 i} ： {I₄^（i），I₆^（i），TS_RSU+1}

步骤6：车辆完成每个_ui的会话密钥提取 
1. 计算：H（n_i） = I₄^（i）E₂^（i） 
SK_i = I₆^（i）H（n_i）
2. 使用会话密钥加密消息：
E_SKi（m_i||我们是你，_我||公共广播_：RSU）

步骤7：传输认证以实现无缝切换
步骤7.1：RSU授权卡片生成将计算
AC_i = H（FPK_vi||FPK_Ri||b_i）
ω₁ = T_AC（x） mod P，ω₂=ω₁FPK_Ri 
IK_i = H（ω₁||FPK_第五卷一）
ω₃ = E_IKi（SK_i）
TK_i = T_γ（x） mod P
γ = b_i。IK ^i-1 
发送 （TK_{i，ω 2，ω 3}） 到下一个 RSU。
步骤7.2：由邻近RSU验证
T_AC（x） = ω₂FPK_Ri-1 
IK_i ^'= H（T_AC（x）||FPK_第五卷一）
T_TKi（IK_i^'（HOR_i））mod P = T_t（x）mod P
步骤7.3：会话密钥恢复（新RSU解密）
SK_i = D_IKi^'（ω₃）

车辆u_i现已在新的RSU区域内认证，可以继续安全通信，算法中使用的所有符号详见 表3。

在图3中，研究人员详细解释了通过游泳道图进行转移认证，当前RSU如何通过发送参数（TK_{i，ω 2，ω 3}）将授权转移给新的RSU，并在收到这些参数后，通过以下方式验证验证
T_TKi（IK_i^'（HOR_i））mod P = T_t（x）mod P .从这次会话中，密钥将被新的RSU恢复并发送给车辆。

图3：两个RSU之间的认证传输。 图示了VANET中传输认证协议的流程图，车辆促进当前路边单元（RSU 1）与下一个路边单元（RSU 2）之间的安全切换。该过程从RSU 1的认证卡片生成和加密计算开始，随后向车辆传输参数、验证和会话密钥恢复，RSU 2完成，最终建立安全会话密钥。缩写; VANET = 车辆临时网络;RSU = 路边单位。 请点击此处查看该图的放大版本。

结果

安全分析

非正式安全分析

冒充攻击：攻击者可能试图冒充合法车辆 u_i 或路边单元（RSU），以获得未经授权的访问权限或干扰认证，但由于现有的强大安全机制，这种冒充在计算上不可行。每个载体和RSU都采用基于切比雪夫多项式的签名，这些签名涉及各自的私钥（v_{i，r i}）和公钥（TPKR_i（x）），以生成认证令牌。对于车辆，标记_{α i} = H（DID_ui||T_vi（T_b（x））||TS_i） 包含了车辆特定的秘密参数，其在可信权威机构（TA）验证时需要计算_{α i}^* = H（DID_ui

讨论

拟议的批量和传输认证方案通过克服传统一对一验证的局限，显著提升了VANET的性能。通过批量认证，多辆车辆可以同时由RSU认证，降低计算和通信负担，实现在密集交通条件下的高效大规模运行。该机制确保了更快的认证周期和更好的带宽利用率，使其适合需要速度和可靠性的实时车载网络。

此外，传输认证通过允许车辆在RSU间传递验证凭证，实现无缝移动，最大限度减少重新认证延迟并保持连续^{安全通信9}。该方案利用基于切比雪夫多项式的密码函数，在计算量保持轻量的同时，实现了对重放和冒充攻击等威胁的强大防护。由此带来的延迟、可扩展性和吞吐量提升，符合智能交通系统的愿景。未来与区块链或边缘计算的集成将进一步去中心化信任管理，增强框架在动态流量和网络环境下的韧性。

该方案通过利用切比雪夫多项式的数学性质，成功实现了VANET中的批量认证和传输认证，确保了轻量级计算、降低通信开销和强有力的安全保障。批处理认证机制使多辆车辆能够同时进行认证，延迟最...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
组成部分	规格 / 细节
批次大小（n）	10至100辆车
比较方案	[20]，[21]，[22]（文献分析）
密码学原语	切比雪夫多项式（自定义递归实现），SHA-256哈希
硬件平台	Intel Core i7处理器，16GB内存，Windows 11（或你具体的操作系统）
密钥库	hashlib（用于SHA-256）、时间（用于测量）、内置数学运算
测量方法	使用时间模块，平均执行时间超过1000次迭代
素模量（p）	256–512位（小数值如7919用于测试;按安全分析比例调整）
编程语言	Python 3.10
仿真类型	密码操作时序（未使用网络模拟器）