פרוטוקול אימות מאובטח ובעל עומס נמוך לרשתות אד-הוק של רכבים עם אימות באצווה ובהעברה

סיכום

ברשת כלי רכב אד-הוק (VANET), כלי רכב מתקשרים זה עם זה, וכל הודעה חייבת להיות מאומת כדי למנוע הפרעות זדוניות. שיטות אימות מסורתיות מאמתות כל רכב בנפרד, ויוצרות עיכובים משמעותיים. כדי להתמודד עם בעיה זו, המחקר המוצע מציג מנגנון אימות שמשלב אימות באצווה ואימות העברה.

תקציר

רשתות רכב אד-הוק (VANETs) דורשות מנגנוני אימות מאובטחים, יעילים וניתנים להרחבה כדי להבטיח אמון בין כלי רכב ויחידות צד דרכים (RSUs). גישות אימות מסורתיות אחד לאחד מובילות לעיתים קרובות לעומס תקשורת וחישוביים גבוהים, מה שהופך אותן לבלתי מתאימות לסביבות רכב בקנה מידה גדול. דבר זה מוביל לפקקי תנועה אבטחתיים, מה שהופך את התהליך לבלתי יעיל ולא מתאים ליישומי בטיחות בזמן אמת. כדי להתמודד עם זה, המחקר מציע פרוטוקול אימות קל משקל התומך הן באימות אצווה והן באימות העברה, המאפשר אימות של מספר כלי רכב בו-זמנית ומאפשר העברת תוקף האימות בין יחידות RSU מבלי להריץ מחדש את הפרוטוקול המלא. באימות באצוות, יחידת דרכים מאמת קבוצת רכבים בו זמנית במקום אחד אחד, בדומה לשומר שמאשר אוטובוס מלא בנוסעים מאומתים מראש, מה שמפחית משמעותית עיכובים בצמתים או בתחנות אגרה. באימות העברה, כאשר רכב עובר מאזור יחידה אחת לאחרת, נתוני האימות מועברים בצורה מאובטחת, מה שמאפשר המשכיות חלקה מבלי להתחיל מחדש את התהליך, בדומה לצמיד קונצרט שמאפשר למשתתפים לעבור בין הבמות ללא בדיקות חוזרות. שיטה זו מנצלת את התכונות המתמטיות של פולינומים צ'בישב כדי לספק אבטחה חזקה עם עומס מופחת. ניתוח ביצועים מראה שהשיטה המוצעת משיגה עלות תקשורת של 42n בתים בלבד ומורכבות חישובית נמוכה משמעותית מסכמות קיימות. גישה זו משפרת את יכולת ההרחבה, מפחיתה החלפת הודעות ושומרת על עמידות איתנה בפני התקפות נפוצות, מה שהופך אותה למתאימה לתקשורת כלי רכב בזמן אמת. בסך הכול, פרוטוקול חדש זה משפר את הפרקטיות של VANETs על ידי הפחתת עומס נתונים, האצת אימות וניהול יעיל של נפחי תנועה גבוהים, מה שהופך אותו לפתרון מאובטח וניתן להרחבה לעתיד מערכות תחבורה חכמות.

מבוא

רשתות אד-הוק לרכב (VANETs) מאפשרות לרכבים לתקשר זה עם זה (רכב לרכב (V2V)) ועם כלי רכב לתשתיות צד הדרך (רכב לתשתית (V2I)) כדי לשפר את הבטיחות והיעילות של התחבורה. בסביבה אלחוטית פתוחה זו, כל רכב יכול לשדר הודעות בטיחות (למשל, התרעות תאונה או עדכוני תנועה); לכן, אימות חזק הוא קריטי כדי להבטיח שההודעות מגיעות ממקורות לגיטימיים. במקביל, ה-VANETs מטילים דרישות ביצועים מחמירות, וכלי רכב מחליפים הודעות בתדרים גבוהים (לעיתים 10 הודעות בשנייה), ומשאירים רק כמה מילישניות לאימות כל הודעה לפני שההודעה הבאה מגיעה. שיטות אימות מפתח ציבורי מסורתיות, כגון חתימות דיגיטליות של אלגוריתם חתימה דיגיטלית בעקומת אליפטית (ECDSA), כפי שמופיע בתקן WAVE/IEEE 1609.2, גורמות לעומס חישוב ותקשורת משמעותי. אימות חתימת ECDSA אחת או ניהול תעודת מפתח ציבורי לכל הודעה עלולים להעמיס על יחידה פנימית מוגבלת משאבים (OBU) ולגרום לעיכובים בלתי מקובלים כאשר מספר הודעות מגיעות בו-זמנית. יתרה מזאת, רכבים משנים לעיתים קרובות את נקודת החיבור שלהם (מעבר מיחידת כביש אחת (RSU) לאחרת), מה שדורש אימות חוזר או לחיצות יד, מה שעלול להגדיל עוד יותר את זמן ההשהייה.

ערוץ	טווח תדרים (GHz)	עדיפות	תפקידים עיקריים
CCH-178	5.885 – 5.895	גבוה	בקרת אימות, פרסומות שירות, הפצת הודעות ראשונית מ-RSUs, התחלת אימות באצוות.
SCH-172	5.855 – 5.865	גבוה	הודעות קריטיות בזמן (אישורי אימות באצווה, התראות בטיחות דחופות).
SCH-174	5.865 – 5.875	בינוני עד גבוה	אימות מבוסס ניווט, תיאום אצווה מודע לתנועה (תרחישי ניידות עירונית).
SCH-176	5.875 – 5.885	נמוך עד בינוני	שידור רשימות ביטול, עדכוני אישורים קבוצתיים, התראות אימות מחדש תקופתיות.
SCH-180	5.895 – 5.905	מדיום	החלפות הודעות מאובטחות לאחר אימות (עדכונים/התראות לאצווה מאומתת).
SCH-182	5.905 – 5.915	נמוך	שירותים לא קריטיים (אימות בסיוע ענן, בדיקות מבוססות אינטרנט, הודעות רקע).
SCH-184	5.915 – 5.925	בינוני עד גבוה	יישומים בעלי תפוקה גבוהה (סטרימינג וידאו, הפצת מפות, עדכוני OTA לקבוצות מאומתות).

טבלה 1: מפרטי ערוץ DSRC לרשתות רכב מאובטחות. הוא מסביר את ערוץ הבקרה (CCH) ואת ערוצי השירות השונים (SCHs) המשמשים ב-VANETs. כל הערוצים הללו פועלים בטווח התדרים 5.855–5.925 גיגה-הרץ, ולכל אחד מהם רוחב פס של 10 מגה-הרץ. הגדרה זו תומכת בתקשורת חלקה ומאורגנת, במיוחד באימות אצווה והודעות בטיחות חשובות. CCH-178 (5.885–5.895 GHz) היה ערוץ הבקרה הראשי. הוא משמש להתחלת תהליך האימות ולשליחת הודעות הקשורות לבטיחות, SCHים בעלי עדיפות גבוהה, כגון SCH-172, SCH-174 ו-SCH-184, משמשים למשימות רגישות לזמן, כגון התראות חירום והעברות נתונים גדולות, SCHs בעלי עדיפות בינונית ונמוכה, כגון SCH-176, SCH-180 ו-SCH-182, שמטפלים במשימות פחות דחופות, כגון עדכון רשימות ביטול, אימות מחדש של רכבים או ניהול שירותים כלליים. קיצורים; DSRC = תקשורת ייעודית לטווח קצר; VANET = רשת כלי רכב אד-הוק; CCH = ערוץ בקרה; SCH = ערוץ שירות; GHz = גיגההרץ; MHz = מגה-הרץ.

הספקטרום הייעודי לטווח קצר (DSRC), כפי שמוצג בטבלה 1, ממחיש את השימוש בו ברשתות רכב. טבלה זו מפרטת את הקצאת הערוצים בתחום התקשורת לטווח קצר (DSRC) 5.9 GHz (5.855–5.925 GHz), כאשר לכל ערוץ רוחב פס של 10 MHz. הוא מדגיש את ערוץ הבקרה (CCH) ואת ערוצי השירות השונים (SCHs) המשמשים ברשתות אד-הוק רכביות (VANETs) כדי להבטיח תקשורת מאורגנת ומסודרת בעדיפות. ערוץ 178 משמש כ-CCH הראשי להתחלת תהליכי האימות ולשידור הודעות הקשורות לבטיחות. SCHs בעלי עדיפות גבוהה (כגון 172, 174 ו-184) תומכים ביישומים קריטיים בזמן כמו התרעות חירום והעברות נתונים גדולות, בעוד ש-SCHs בעלי עדיפות בינונית ונמוכה (כגון 176, 180 ו-182) מטפלים במשימות פחות דחופות, כולל עדכוני רשימות ביטול, אימות מחדש של רכבים ושירותים כלליים.

אתגר נוסף הוא פרטיות. יש לאמת רכבים מבלי לחשוף את זהותם הקבועה בכל הודעה (כדי למנוע מעקב). פתרונות כמו תעודות בעלות שם בדוי מספקים אנונימיות באמצעות זהויות זמניות; עם זאת, הם מכניסים הוצאות תקורה להפצה וביטול מספר רב של תעודות. רכב יכול להשתמש בתכניות חתימה קבוצתיות כדי לחתום על הודעות עבור קבוצה. זה מאמת את ההודעה תוך שמירה על אנונימיות של הרכבים הספציפיים. עם זאת, חתימות קבוצתיות אלו, יחד עם שיטות מפתח ציבורי אחרות, מסתמכות על מתמטיקה מורכבת, כגון זוגות ביליניאריים ואקספוננציאציות גדולות. פעולות אלו אינן מעשיות בסביבת VANET, שתמיד נעה במהירות ודורשת השהיה נמוכה. אובדן חבילות מחמיר את המצב הזה. לכן, נדרשת שיטת קריפטוגרפיה קלה קלה. לכן, יש לפתח טכניקה שיכולה לבדוק במהירות מספר הודעות בו-זמנית מבלי לפגוע בפרטיות או באבטחה. בהקשר זה, חוקרים חקרו את יישום פולינומים צ'בישב, שיש להם שתי תכונות משמעותיות המתאימות לקריפטוגרפיה: תכונת החצי-קבוצה והתנהגות כאוטית. היתרון העיקרי בשימוש בפעולות פולינומיות צ'בישב הוא שהן צורכות פחות מורכבות חישובית מעקומות אליפטיות. תכונה מיוחדת זו שימשה לבניית מערכות אימות חדשות שמשלבות רעיונות מקריפטוגרפיה סימטרית ומפתח ציבורי. לדוגמה, הם משתמשים בפונקציות חד-כיווניות שנבנו מהפולינומים הללו כדי ליצור סודות משותפים או חתימות דיגיטליות, שמספקות יעילות ואי-התנגדות. מחקרים כבר הראו שכאשר נעשה שימוש בפרוטוקולי צ'בישב לאימות, כמות העבודה שעל יחידות הרכב לבצע נמוכה בהרבה. מחקר זה מספק הגדרות פורמליות ופרטים מתמטיים של פעולות מבוססות פולינומים של צ'בישב המשמשות בתכנית המוצעת. באופן ספציפי, מחקר זה מבסס את האבטחה על שתי הנחות המקבילות לבעיות קשות קריפטוגרפיות קלאסיות: בעיית הלוגריתם הדיסקרטי הפולינומי של צ'בישב (CPDLP) ובעיית הפולינומים של צ'בישב דיפי–הלמן (CPDHP). בעיות אלו ידועות כבלתי ניתנות לפתרון חישובית, מה שמוכיח שזיוף אימות של כלי רכב או התחזות לצומת תקף הוא בלתי ישים חישובית. יתרה מזאת, נאמר במפורש שכאשר פולינומי צ'בישב מוגדרים על שדות סופיים גדולים עם אורכי ביט מעשיים (למשל, 160–256 ביט), שליפת דרגת הפולינום או הפרמטר הסודי מפולינום ציבורי אינה ישמה חישובית עם אלגוריתמים קלאסיים^{עכשוויים 1}.

בשנים האחרונות הוצעו סכימות CDAS (תכנית אימות נתונים מרכזית) ו-DDAS (תכנית אימות נתונים מבוזרת)² לטיפול בנתוני חשמל במערכות רכב-לרשת (V2G). שתי השיטות הראו מהירות, אבטחה ויעילות טובות יותר מהגישות הקודמות והגנו ביעילות על פרטיות המשתמשים. עם זאת, עבודה זו חסרה פריסה בעולם האמיתי, ומתעלמת מתרחישי תמחור דינמיים. תוכנית אימות אצווה חכמה ויעילה לרשתות V2G המשתמשת בזוגות ביליניאריים וחתימות מצטברות לאימות חתימות מרובות של רכבים חשמליים (EV) בו-זמנית^הוצעה 3, לחיסכון בזמן ולהפחתת כוח המחשוב, אך עבודה זו אינה מתייחסת לאופן שבו בלוקצ'יין משפיע על אחסון לטווח ארוך. גישה חכמה לאימות אצווה לרשתות V2G המשתמשת במחשוב קצה לבדיקת רכבים חשמליים צפופים בו-זמנית, הוצעה⁴ באמצעות חתימות קבוצתיות קצרות וקריפטוגרפיה ללא תעודה, כדי להפחית עיכובים ולמנוע בעיות תעודה. שיטת האימות האצווה לרשתות V2G המשתמשת במחשוב קצה וחתימות קבוצתיות קצרות לבדיקת רכבים חשמליים קבוצתיים בו-זמנית נוצרה⁵ , אך עם זאת, היא אינה בודקת במלואה את הביצועים באזורים צפופים ברובם, אך לא ציינה את מדיניות הביטול של רכבים חשמליים.

מסגרת לשיתוף נתונים ממוקד פרטיות ברשתות V2G באמצעות בלוקצ'יין הוצעה 6 מסגרת להצפנה מבוססת מאפיינים (ABE), אך בעבודה זו הם נכשלו בטיפול באימות באצוות. שיטת אימות לשמירת פרטיות לרשתות V2G המשתמשות בבלוקצ'יין ועיבוד אצווה נוצרה⁷ לטיפול בקריפטוגרפיה של עקומת אליפטית (ECC) המבוססת על בדיקת קבוצת רכבים חשמליים בו-זמנית. עם זאת, הם לא מצליחים להתמודד עם אתגרי הסקלביליות לרשתות צפופות. ניהול מפתחות מבוסס בלוקצ'יין ל-V2G, שגם משתמש בעיבוד אצווה, הציע⁸ כמה חוזים חכמים להפצה, חידוש וביטול מפתחות מאובטחים, ובכך הבטיח פרטיות רכבים חשמליים; עם זאת, הוא לא בודק עבודה בזמן אמת ואינו ברור לגבי ביטול רכבים חשמליים בקבוצה. שיטת אימות אצווה קלה ל-VANETs הוצעה⁹, המשתמשת בפולינומים של צ'בישב כדי לבדוק כלי רכב רבים בו-זמנית עם חישוב נמוך. התכונות המתמטיות של פולינומים צ'בישב מסייעות להימנע משלבים קריפטוגרפיים כבדים, ולכן המערכת פועלת מהר יותר ומתאימה יותר לתקשורת בזמן אמת עם כלי רכב. הוא גם שומר על פרטיות ומספק אבטחה חזקה. עם זאת, הוא לא מסביר במלואו כיצד הוא ינהל תנועה גדולה מאוד, כלי רכב נעים, משתמשים שבוטלו ותהליך העדכון המרכזי. שיטת האימות האצוותית של VANETs באמצעות פולינומים צ'בישב הוצגה¹⁰ כדי לאמת מזהי רכב רבים עם פחות עיכוב. החלקים הכאוטיים של פולינומים צ'בישב תומכים במזהים אנונימיים, יצירת מפתחות ופרטיות. עם זאת, מחקר זה לא הסביר הרבה על תנועה כבדה, רכבים מהירים מאוד, הסרת רכבים פגומים באצוות, אימות העברה וטיפול מלא במפתחות. מערכת אימות קלה באצווה ל-VANETs^{נוצרה 11}, מערכת בטוחה המשתמשת בפולינומים של צ'בישב לבדיקת קבוצות גדולות של כלי רכב בבת אחת בעלות נמוכה. הוא מספק פרטיות ומאפשר מעקב במידת הצורך. עם זאת, הוא אינו דן ברשתות בקנה מידה גדול. הוא גם לא מתמודד עם העבודה עם כללי VANET וטיפול מלא במפתחות. הוצעה סכמת אימות אצווה מבוססת מפות כאוטית של צ'בישב עבור VANETs¹² לאימות מספר כלי רכב בו-זמנית עם עלות חישובית מופחתת. הוא שומר על פרטיות המשתמש על ידי מתן מזהים אנונימיים, יכולת מעקב ודילוג על פעולות קריפטוגרפיות כבדות, ולכן מתאים לתקשורת חיה. עם זאת, הוא אינו מסביר את ביטול כלי הרכב הזדוניים או את עמידת כללי VANET. הוצע¹³ לאימות אצווה קל לרשתות VANET באמצעות שיטות אימות והסכם מפתחות (AKA) בשילוב עם מפות כאוטיות של צ'בישב לבדיקת הודעות רכבים מרובות בו-זמנית, לחיסכון בזמן ועבודה. התכנית שומרת על פרטיות, בטיחות הודעות והופכת אותה למתאימה לתנועה אמיתית. עם זאת, הוא לא מסביר כיצד זה פועל עבור קבוצות גדולות של רכבים, אימוץ שינויים מהירים ב-RSU, או הסרת רכבים זדוניים באצוות. שיטת אימות באצווה קלה עבור VANETs באמצעות מפות כאוטיות צ'בישב^{נוצרה 14} כדי לבדוק הודעות רבות במהירות עם פחות עיכוב ופחות חישוב. הוא שומר על פרטיות, החלפת מפתחות בטוחה ומעקב ללא קריפטו כבד, מה שהופך אותו למתאים לתקשורת בזמן אמת עם כלי רכב. עם זאת, המאמר אינו מסביר כיצד המערכת מתמודדת עם מספר רב של כלי רכב, מבטלת רכבים מתנהגים בצורה לא הולמת, או רכבים במהירות שמתחלפים בין יחידות RSU. הוא גם חסר אינטגרציה עם פרוטוקולי VANET סטנדרטיים ואינו משתמש במחשוב קצה לשיפור ביצועים.

מחקר זה מציע מסגרת אימות ל-VANETs המשתמשת בלעדית במנגנונים מבוססי פולינומים צ'בישב לאימות אצווה של הודעות ואימות העברה במהלך העברת הרכב. שיטת אימות אצווה מאפשרת ל-RSU או לרכב מקבל לאמת מספר חתימות הודעות יחד במקום בנפרד, מה שמפחית משמעותית את העיכוב לכל הודעה כאשר התנועה עמוסה מאוד⁸. פרוטוקול אימות ההעברה מאפשר לרכב להישאר מאומת באופן רציף בזמן שהוא נע בין אזורי כיסוי שונים של RSU מבלי לבצע לחיצת יד מלאה ויקרה בכל קפיצה. במקום זאת, נעשה שימוש במנגנון סשן דינמי קל משקל להעברת מצב האימות ממושב או דומיין אחד לאחר. באמצעות שימוש בפולינומים צ'בישב בשני ההיבטים, שיטה זו מבטיחה שרק פעולות מתמטיות פשוטות (כגון כפל מודולרי וחיבור מהערכת פולינומים) נדרשות עבור ישויות VANET, מה שהופך אותה למתאימה מאוד לסביבה החישובית המוגבלת של OBUs.

פרוטוקול

מוקדמות

מודל המערכת: מערכת VANET מורכבת משלושה סוגי ישויות עיקריים: רשות מהימנה (TA), יחידות צד דרכים (RSUs), ורכבים עם יחידות על הסיפון (OBUs). ה-TA הוא מרכזי להתחלת האתחול, ניהול המפתחות וביטול מזדמן. היא אמינה לחלוטין ובדרך כלל נשלטת על ידי הממשלה או התשתיות. כל יחידת RSU היא יחידה נייחת המוצבת לאורך הכביש. זה מספק תשתית תקשורת; במודל זה, מניחים ש-RSUs מחוברים ל-TA דרך עמוד שדרה מאובטח (למשל, סיב או רשת מאובטחת) כדי שיוכלו לשלוח או לקבל עדכונים מה-TA לפי הצורך. הרכבים מצוידים ביחידות OBU שמאפשרים לרכבים לרכב (V2V) ולרכבים לתקשורת תשתית (V2I). מחקר זה מניח של-OBUs יש מכשיר עמיד לזיוף (TPD) או מודול חומרה מאובטח שיכול לאחסן מפתחות קריפטוגרפיים ולבצע פעולות קריפטוגרפיות בנפרד, תוך הגנה על סודות ארוכי טווח מפני חשיפה פיזית.

מודל תקשורת: רכבים משדרים הודעות חד-פעמיות תקופתיות (כגון הודעות בטיחות בסיסיות) בערוץ אלחוטי (למשל, IEEE 802.11p או C-V2X PC5) שניתן לקלוט על ידי רכבים ויחידות RSU אחרות בטווח. הודעות אלו חייבות להיות מאומתות על ידי המקבלים כדי להבטיח את תקפותן. יחידות RSU גם שולחות מידע תקופתי (רמזורים ואזהרות) לרכבים באמצעות תקשורת בין כלי רכב לתשתית (V2I). בעבודה זו, הדגש העיקרי הוא על אימות הודעות מרכב לתשתית (V2I). המשמעות היא שהרכבים מאומתים על ידי RSU באמצעות אימות אצווה כאשר הם נכנסים לאזור הכיסוי של RSU. אימות V2V יכול להתבצע באופן דומה על ידי שימוש באותה סכמת חתימה; עם זאת, אימות אצווה מועיל במיוחד ב-RSUs, שעשויים להזדקק לאמת הודעות של כלי רכב רבים בו-זמנית.

איור 1: אימות אצווה ברשת VANET. איור זה מציג את הארכיטקטורה המשמשת לאימות באצוות, וממחיש כיצד מספר OBUs בקבוצות רכב (למשל, BATCH1 ו-BATCH2) מתקשרים אלחוטית עם יחידות RSU בצמתים או בנקודות תנועה, שמחוברות דרך קישורים חוטיים ל-TA מרכזי. הפרוטוקול מאפשר אימות קולקטיבי של בקשות אימות בתעבורה בצפיפות גבוהה באמצעות פולינומים של צ'בישב. כל רכב מחשב אסימון אימות על ידי הערכת T_k(x) mod P, מחבר אותו עם זהותו וחותמת הזמן, מעריך את הערך ומעביר אותו ל-RSU. ה-RSU מאגד את הטוקנים ומאשר אותם יחד.
קיצורים; VANET = רשת כלי רכב אד-הוק; OBU = יחידה על הסיפון; RSU = יחידת דרכים; TA = סמכות מהימנת. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

אימות אצווה ב-VANETs: בסביבות תנועה צפופות, RSU עשויים לקבל בקשות אימות ממספר רכבים בתוך פרק זמן קצר מאוד. ביצוע אימות אישי לכל בקשה עלול לגרום לעיכובים חישוביים משמעותיים ולהגדיל את עומס התקשורת. כפי שמודגם באיור 1, מנגנון האימות המוצע מנצל את התכונות המתמטיות של פולינומים צ'בישב להשגת אימות רב-רכבי יעיל¹⁵. כל רכב מחשב אסימון אימות α_i על ידי הערכת פולינום צ'בישב T_vi(T_r(x)) מודולו של p ראשוני גדול, כאשר v_i הוא המפתח הפרטי של הרכב, r הוא המפתח הפרטי של RSU, ו-x הוא בסיס ציבורי. הפלט מחובר לזהות הדיגיטלית של הרכב ולחותמת הזמן שלו, מגובש ומועבר ל-RSU. ה-RSU מאגד את כל האסימונים שהתקבלו לערך אחד ומאמת אותם יחד באמצעות היחס T_r.∑vi(x) מודולו p. גישה זו מפחיתה משמעותית את מספר פעולות האימות היקרות, ובכך משפרת את יכולת ההרחבה בסביבות כמו צמתים, שערי אגרה ונקודות חסימת תנועה.

איור 2: אימות העברה ברשתות VANET. תרשים זה מציג את פרוטוקול אימות ההעברה הקל המוצע, שמאפשר לרכב לעבור מיחידת ה-RSU הנוכחית (יחידת כביש 1) ליחידת ה-RSU הבאה (יחידת כביש 2) ללא אימות מלא, מה שעלול להפחית את ההשהייה. RSU1 מייצר כרטיס מורשה באמצעות רצף מבוסס גיבוב של מפתחות ציבוריים וערך אקראי, ואז מיישם פעולות פולינום צ'בישב לחישוב פרמטרים ביניים (ω₁, ω₂), מפתח התחלתי (IK), מפתח מושב מוצפן ומפתח זמני (TK). ערכים אלו נשלחים לרכב ומועברים ל-RSU2. RSU2 מאמת את הנתונים ומשחזר את מפתח הסשן באמצעות פעולות Chebyshev הפוכות, ובכך יוצר מפתח סשן מאובטח (SK) לתקשורת רצופה. הפרוטוקול תומך בהעברות מהירות ומאובטחות המתאימות לסביבות תקשורת רכבית מהירה. קיצורים; VANET = רשת כלי רכב אד-הוק; RSU = יחידת דרכים; IK = מפתח התחלתי; TK = מפתח זמני; SK = מפתח סשן. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

העברת אימות להעברת מידע חלקה: כאשר רכבים נעים בין אזורי כיסוי RSU, ביצוע מחדש של אימות מלא בכל RSU חדש יוצר השהיה ועלולה להפריע לסשנים מאובטחים. תהליך אימות ההעברה, כפי שמוצג באיור 2, מאפשר העברה מאובטחת וקללה. ה-RSU הנוכחי מייצר כרטיס מורשה AC_i על ידי גיבוב רצף המפתחות הציבוריים של הרכב ו-RSU יחד עם פרמטר מושב אקראי b_i. באמצעות טרנספורמציות פולינומיות צ'בישב T_AC(x) מודולו p, ה-RSU מחשב ערכים ביניים ω_{1,ω 2} =_{ω 1} FPK_Ri, מפתח ספציפי למושב IK_i = H(ω₁FPK_vi) ומפתח סשן מוצפן ω₃ = (E_IKi(SK_i)). לבסוף, מפתח זמני_{TK i} נגזר מ-γ = b_i. IK ^i-1 באמצעות טרנספורמציית צ'בישב נוספת T γ(x). הטאפל (TK_{i,ω 2,ω 3}) נשלח ל-RSU הבא, שמשתמש בו כדי לאמת ולחדש תקשורת מאובטחת עם הרכב מבלי לבצע אימות מחדש מלא. מנגנון זה מבטיח הפרעה מינימלית והשהייה נמוכה במיוחד לרכבים הנוסעים במהירויות גבוהות. 

ניידות והעברה: כלי רכב הנעים ממקום אחד לאחר ברשת עשויים להיתקל במספר יחידות RSU לאורך מסלולם. על ידי שילוב אימות אצווה מבוסס פולינומים צ'בישב לגישה ראשונית ל-RSU ואימות העברה להעברת ניידות, המערכת משיגה גם יכולת הרחבה וגם המשכיות¹⁶. אימות אצווה מטפל ביעילות בהרבה אימות כלי רכב בו-זמנית, בעוד שאימות העברה מפחית עיכובים באימות חוזר במהלך מעברי RSU. יחד, מנגנונים אלו יוצרים מסגרת חזקה, מאובטחת מתמטית ויעילה מבחינת ביצועים לאימות VANET.

מקדימות פולינומיות צ'בישב

פולינומים צ'בישב (T_n(x)) הם המושג המרכזי המתמטי של סכמת האימות. הם פועלים לפי נוסחת חזרה ויש להם תכונות שהופכות אותם מתאימים לפונקציות קריפטוגרפיות חד-כיווניות. ההגדרות והתכונות העיקריות הן כדלקמן.

הגדרה: פולינום צ'בישב מדרגה n (עבור מספר שלם n≥ 0):

T_n(x) = cos(n arccos x),

עבור x [-1,1]]. באופן שקול, ניתן להגדיר אותו מעל הממשיים או מודולו של ראשוני P. הפולינומים הראשונים של צ'בישב מהסוג הראשון T_n(x) עד n=4 (דרגה משתנה מ-0 עד 4) המתוארים בטבלה 2.

S.No	תואר	תיאור	תוצאה
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 (מכיוון ש-cos(2θ) = 2cos2θ-1)	T2(x) = 2x2-1
4	T3(x)	T3(x) = cos(3.arccros x) = 4x3-3x (מכיוון ש-cos(3θ) = 4cos3θ-3cosθ)	T3(x) = 4x3-3x
5	T4(x)	T4(x) = 8x4-8x 2+1 (מכיוון ש-cos(4θ) = 8cos4θ-8cos2θ+1)	T4(x) = 8x4-8x 2+1

טבלה 2: הערכת יחס החזרה. טבלה זו מציגה את הפולינומים הראשונים של צ'בישב מהסוג הראשון T_n(x) (עבור דרגות 0 עד 4), המחושבים באמצעות יחס החזרה שמרכיב את הבסיס המתמטי של סכמת האימות המוצעת. קיצורים; T_n(x) = פולינום צ'בישב מדרגה n הוערך ב-x; n = דרגת פולינום; x = משתנה קלט.

באופן כללי, הם מקיימים את החזרה:

T_n+1(x) = 2xT_n(x) - T_n-1(x), כאשר T₀(x) =1, T₁(x) = x .

חזרה זו מאפשרת חישוב איטרטיבי יעיל של T_n(x).

תכונת חצי-קבוצות: בדומה למערכי הכפל, פולינומים צ'בישב מציגים תכונת הרכב במיוחד:

T_m(T_n(x)) = T_m.n(x) ,

לכל מספרים שלמים חיוביים m,n. במילים אחרות, אם מיישמים תחילה פולינום צ'בישב מדרגה n ל-x, ואז מיישמים פולינום צ'בישב נוסף מדרגה m לתוצאה, זה שקול ליישום פולינום צ'בישב מדרגה m * n ישירות על x. תכונה זו מרכזית לשימוש בפולינומים צ'בישב בפרוטוקולי החלפת מפתחות ואימות בסגנון דיפי–הלמן, משום שהיא דומה לתכונה (g^a)^b = (g^b)^a של אקספוננציה בקבוצה מחזורית.

התנהגות כאוטית: עבור דרגות n>1 , ההעתקה x T_n(x) (כאשר x נמצא ב-[-1,1]) הוכחה כמיפוי כאוטי בתנאים מסוימים. באופן לא פורמלי, שינוי קטן ב-x יכול לגרום לשינויים גדולים ב-T_n(x) כאשר n גדול, ו-T_n(x) מתפלג ב-[-1,1] כך שעבור n גדול יכול להיראות אקראי. "פסאודו-אקראיות" זו שימושית בקריפטוגרפיה ליצירת פלטים לא צפויים.

בעיית לוגריתם דיסקרטי פולינומי צ'בישב (CPDLP): זו דומה לבעיית הלוגריתם הבדיד אך משתמשת בפולינומים צ'בישב. בהינתן מודולוס ראשוני P וערכים ציבוריים x ו-y = T_n(x) mod P, קשה מאוד למצוא את המספר השלם n. במילים אחרות, אם יודעים x ו-y, קשה מאוד להבין n כאשר המספרים גדולים. זה דומה לבעיה הקלאסית של לוגר דיסקרט, שבה קשה למצוא מ-g^מוד P.

בעיית דיפי–הלמן הפולינומי צ'בישב (CPDHP): בהינתן x,_{T a}(x) ו-T_b(x) (עבור מספרים שלמים סודיים אקראיים a,b), קשה לחשב את T_a.b(x) מבלי לדעת או a או b. זה משקף את בעיית דיפי–הלמן: נותנים g^a ו-g^b, יריב לא יכול לחשב את g^ab. בהקשר של צ'בישב, יש לשים לב ש-T_ab(x) = T_a(T_b(x)) = T_b(T_a(x)) לפי תכונת חצי-הקבוצה; לכן, אם שני צדדים יודעים כל אחד מאחד מ-a,b, הם יכולים לחשב את T_ab(x) בקלות, בעוד שמאזין שיודע רק את התוצאות הבודדות לא יכול.

הביטחון של התוכנית נשען על הנחות אלו (CPDLP ו-CPDHP הם בלתי פתירים). לצורך יישום מעשי, מחקר זה פועל בשדה סופי (מודולו ראשוני גדול P) כדי להבטיח התנהגות מובחנת. בדרך כלל, מספר אקראי x ב-[2,P-2] נבחר כפרמטר מערכת (זה משחק תפקיד כמו גנרטור בקבוצה מכפלת). ה-TA יבחר X כזה ויפרסם אותו כחלק מהפרמטרים הציבוריים. אז ניתן לחשב את פולינומי צ'בישב מודול P באמצעות נוסחת החזרה. למרות ש-x אינו ב-[-1,1] במקרה זה, ניתן להשתמש באיזומורפיזם בין פולינומים צ'בישב לקוסינוס היפרבולי עבור ערכים מחוץ ל-[-1,1], או פשוט לטפל באלגבריות במודול P. התכונה הכאוטית, במובן המדויק, חלה על מרווחים ממשיים; עם זאת, לשימוש קריפטוגרפי, המחקר מתבסס על חוסר הצפיות הנובע מהקשיות של ה-CPDHP בשדה הסופי.

מודל התקפה

במסגרת ההצעה לאימות אצווה והעברה עבור VANETs המשתמשים בפולינומים צ'בישב, חוקרים בוחנים נוף איומים ריאליסטי שבו יריבים חיצוניים ופנימיים עשויים לנסות לשבש תקשורת מאובטחת. תוקפים חיצוניים הם ישויות מחוץ לרשת הרכבים שמטרתן ליירט, לשנות או להזריק הודעות זדוניות מבלי להחזיק בפרטי אימות לגיטימיים¹⁷. תוקפים פנימיים, לעומת זאת, הם כלי רכב או יחידות RSU שנפרצו או זדוניות שכבר מחזיקות בפרטי התודה תקפים אך מנצלים אותם לרעה כדי להתחפש לאחרים, לזייף נתונים או לבצע התקפות מתואמות.

התקפת האיש באמצע (MIM): היריב מיירט ומעביר הודעות בין שני צדדים לגיטימיים תוך כדי שינוי אפשרי בתוכן שלהם. הפרוטוקול מתמודד עם זאת על ידי שימוש באימות הדדי והסכמה על מפתחות מושב בהתבסס על קושי בעיית הפולינומים צ'בישב, ומבטיח שכל נתון שיורטט יהיה בלתי ישים לעיבוד חישובית ללא גילוי¹⁸.

התקפת ההפעלה החוזרת: תוקף משדר מחדש הודעות תקפות שנתפסו בעבר כדי לקבל גישה לא מורשית או לגרום לבלבול ברשת. חוקרים מתמודדים עם בעיה זו על ידי שילוב חותמות זמן ומזהי סשן בתהליך האימות, ומבטיחים שהודעות יהיו תקפות רק בתוך חלון זמן קצר ולא ניתן להשתמש בהן שוב בהמשך.

התקפת התחזות: נחשבת גם כאשר תוקף מנסה להעמיד פנים שהוא רכב לגיטימי או RSU. על ידי קישור הדוק של תהליך האימות למפתחות פולינומים ייחודיים של צ'בישב ואימות חתימות דיגיטליות במהלך אימות אצווה והעברה, המערכת מבטיחה שרק משתתפים אמיתיים יוכלו לתקשר.

התקפות האזנה: שבהן היריבים עוקבים באופן פסיבי אחרי תקשורת כדי לחלץ מידע רגיש. התכנית המוצעת מבטיחה סודיות באמצעות יצירת מפתחות מושבים מאובטחים; לכן, גם אם חבילות נתונים יירטו, הן נשארות בלתי מובנות ללא המפתח הסודי.

התקפות קונספירציה: שבהן מספר ישויות שנפרצו משתפות פעולה כדי לשבור את פרוטוקול האימות. השימוש באימות מצטבר באימות אצווה ואימות עצמאי באימות העברה מונע מצמתים שנפגעו לזייף במשותף אישורים תקפים.

סמל	תיאור
Ui	הרכב הראשון ב-VANET
RSU	יחידת הדרכים
TA	סמכות מהימנה
TSi	חותמת זמן שנוצרה על ידי רכב
TARSU	חותמת זמן שנוצרה על ידי RSU
TSTA	חותמת זמן שנוצרה על ידי TA
ΔT	הפרש שעון מקסימלי מותר לתוקף ההודעה
DIDUi	זהות מבוססת שם בדוי של הרכב Ui
האםRSU	זהות מבוססת עט של RSU
Tv(x)	פולינום צ'בישב עם מפתח פרטי של הרכב "v"
טלוויזיה(x)	פולינום צ'בישב עם סמכות מהימנה מפתח פרטי "b"
TPKRi(x)	פולינום צ'בישב עם מפתח ציבורי של RSU
αאני	גיבוב זהות המחושב על ידי רכב Ui
βאני	גיבוב זהות שחושב על ידי RSU עבור Ui
θi	טוקן אימות פולינומי מ-Ui המשמש לאגרגציה
θ'agg	פולינום מצטבר צפוי (TA מחושב)
θagg	מכפלת פולינומים מצטברת מכל כלי הרכב Θi
האםאני,נ אני.	ערכי זרע מפתחות סשן אקראיים שנוצרו על ידי TA
ר, יואיי	ערכי סקלרים סודיים המוקצים ל-RSU ולרכב בהתאמה
PUB RSU	מפתח ציבורי של RSU
ממשק PUB	המפתח הציבורי של הרכב Ui
E1(i),E2(i)	ערכי הסוואה המחושבים באמצעות גיבוב לסודיות
IK(i)	רכיבים של אימות/החלפת הודעות מפתחות מושב
SKi	מפתח הסשן הסופי נקבע בין הרכב ל-RSU
H(.)	פונקציית גיבוב עמידה להתנגשות
ESK(.)/DSK(.)	הצפנה/פענוח סימטרי באמצעות מפתח סשן
||	אופרטור חיבור
מוד P	פעולה מודולרית מעל ראשוני גדול p

טבלה 3: הערות. טבלה זו מפרטת את הסמלים המרכזיים, הפרמטרים והסימונים הקריפטוגרפיים המשמשים לאורך כל המאמר.

סכימה מוצעת:

תכנית מוצעת זו מורכבת משני רכיבים עיקריים: (i) מנגנון אימות הודעות אצווה באמצעות פולינומים צ'בישב ו-(ii) פרוטוקול אימות העברה להעברת רכבים בין יחידות RSU. מחקר זה מספק תחילה סקירה של מבנה המערכת ואז מתאר כל רכיב בפירוט בחלקים הבאים, יחד עם העובדה שהמונחים והסימון מוצגים בטבלה 3.

רישום רכב:

שלב 1: כל רכב מתחיל את תהליך האימות. יהיו מספר רכבים u_{1,u 2,u 3}....,u_n שמנסים אימות עם אותו RSU בזמן t. כל רכב u_i מחשב:

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

ואז, u_i שולח:

I₁⁽ⁱ⁾ = (α_{i,DID ui,TS i}) (2)

ל-RSU.

שלב 2: RSU מאגד ומתכונן לאימות אצווה לאחר קבלת כל I₁⁽ⁱ⁾, RSU מבצע:

1. אימות חותמת זמן: |TS_c - TS_i| ≤ ΔT
2. חישב גיבוב תגובת RSU לכל רכב: β_i = H(_{DID RSU}||T_{r i}(T_b(x)||TS_RSU)
3. חשב טוקני צ'בישב: θ_i = T_vi(T_PKRi(x)) mod P
4. אסוף את כל האסימונים:   
5. הכינו הודעת אצווה: ושלחו ל-TA.

שלב 3: TA מאמת חתימות אצווה

1. אימות חותמת זמן: TS_TA -_{TS RSU} ≤ ΔT
2. בדוק hash של RSU: β_i^* = H(DID_RSU || T_b(T_ri(x)) || TS_RSU) = β_i 
3. בדוק את ה-hash של הרכב: α_i^* = H(DID_ui|| T_b(T_vi(x)|| TS_i) = α_i 
4. אימות מצטבר: _θ'agg = T_∑vi(x)mod P
H(θ_agg) = H(θ_agg^') אם הכל עובר, האימות מצליח.

שלב 4: הקמת מפתחות מושב (בקבוצה) עבור כל u_i , TA מבצע:
1. חישב: E₁⁽ⁱ⁾ = H(PUB_RSU||r_i||TS_RSU)
E₂⁽ⁱ⁾ = H(PUB_ui||v_i||TS_i).
2. יצירת ערכים אקראיים m_{i,n i}Z^*_P 
3. מפתח סשן חישוב: SK_i = H(m_i||n_i||r_i||v_i)
4. בניית רכיבים מוצפנים:
I₃⁽ⁱ⁾ = H(m_i)E₁⁽ⁱ⁾ 
I₄⁽ⁱ⁾ = H(n_i)E₂⁽ⁱ⁾
I₅⁽ⁱ⁾ = SK_iH(m_i)
I₆⁽ⁱ⁾ = SK_iH(n_i)
שלח חבילה: {I₃⁽ⁱ⁾,I₄⁽ⁱ⁾,I₅⁽ⁱ⁾,I₆⁽ⁱ⁾,TS_TA}ⁿ_i=1 

שלב 5: RSU שולח מידע על סשן_{לכל רכב} 
1. התאוששות: H(m_i) = I₃⁽ⁱ⁾E₁⁽ⁱ⁾ 
SK_i = I₅⁽ⁱ⁾H(m_i)
2. שולח לך_i : {I₄⁽ⁱ⁾,I₆⁽ⁱ⁾,TS_RSU+1}

שלב 6: כלי הרכב משלימים חילוץ מפתחות סשן עבור כל u_i 
1. חישוב: H(n_i) = I₄⁽ⁱ⁾E₂⁽ⁱ⁾ 
SK_i = I₆⁽ⁱ⁾H(n_i)
2. השתמש במפתח הסשן להצפנת הודעות:
E_SKi(m_i||PUB_ui||PUB_RSU)

שלב 7: העברת אימות להעברת עבודה חלקה
שלב 7.1: יצירת כרטיס מורשה על ידי RSU תחשב
AC_i = H(FPK_vi|| FPK_Ri|| b_i)
ω₁ = T_AC(x) mod P,ω₂=ω₁FPK_Ri 
IK_i = H(ω₁||FPK_vi)
ω₃ = E_IKi(SK_i)
TK_i = T_γ(x) מודול P
γ = b_i. IK ^i-1 
שלח (TK_{i,ω 2,ω 3}) ל-RSU הבא.
שלב 7.2: אימות על ידי ה-RSU השכן
T_AC(x) = ω₂FPK_Ri-1 
IK_i ^'= H(T_AC(x)||FPK_vi)
T_TKi(IK_i^'(HOR_i))mod P = T_t(x)mod P
שלב 7.3: שחזור מפתח מושב (פענוחי RSU חדשים)
SK_i = D_IKi^'(ω₃)

הרכב u_i מאומת כעת בתוך אזור RSU החדש ויכול להמשיך תקשורת מאובטחת, כאשר כל הסימונים המשמשים באלגוריתם מפורטים בטבלה 3.

באיור 3, החוקרים הסבירו בפירוט על אימות ההעברה באמצעות דיאגרמת נתיב שחייה, כיצד ה-RSU הנוכחי מעביר את האישור ל-RSU החדש על ידי שליחת הפרמטרים שלו (TK_{i,ω 2,ω 3}) ולאחר קבלת הפרמטרים הללו מה-RSU החדש, הוא מאמת את האימות באמצעות
T_TKi(IK_i^'(HOR_i))mod P = T_t(x)mod P. מהמפגש הזה, המפתח ייאסף על ידי ה-RSU החדש ויישלח לרכב.

איור 3: העברת אימות בין שני RSUs. איור זה ממחיש את תרשים הזרימה של פרוטוקול אימות ההעברה ב-VANET, שבו רכב מאפשר העברה מאובטחת בין יחידת הכביש הנוכחית (RSU 1) ליחידת הכביש הבאה (RSU 2). התהליך מתחיל ביצירת כרטיסים מאומתים וחישובים קריפטוגרפיים ב-RSU 1, לאחר מכן העברת פרמטרים לרכב, אימות ושחזור מפתחות מושב ב-RSU 2, ומסתיים בהקמת מפתח מושב מאובטח. קיצורים; VANET = רשת כלי רכב אד-הוק; RSU = יחידת דרכים. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

תוצאות

ניתוח אבטחה

ניתוח אבטחה לא פורמלית

מתקפת התחזות: יריב עשוי לנסות להתחפש לרכב_{חוקי או} ליחידת דרכים (RSU) כדי לקבל גישה לא מורשית או לשבש את האימות, אך התחזות כזו אינה אפשרית חישובית בשל מנגנוני האבטחה החזקים הקיימים. כל רכב ו-RSU משתמשים בחתימות מבוססות פולינומים של צ'בישב, הכוללות את המפתחות הפרטיים שלהם (v_{i,r i}) ומפתחות ציבוריים (TPKR_i(x)), ליצירת אסימוני ...

דיון

שיטת האימות המוצעת לאצווה והעברה משפרת משמעותית את ביצועי VANET על ידי התגברות על מגבלות האימות המסורתי של אחד-על-אחד. באמצעות אימות באצוות, ניתן לאמת מספר כלי רכב בו-זמנית על ידי RSU, מה שמפחית עומס חישובי ותקשורתי ומאפשר תפעול יעיל בקנה מידה גדול בתנאי תנועה צפופה. מנגנון זה מבטיח מחזורי אימות מהירים יותר וניצול רוחב פס טוב יותר, מה שהופך אותו למתאים לרשתות כלי רכב בזמן אמת שדורשות מהירות ואמינות.

יתרה מזאת, אימות העברה מקל על ניידות חלקה בכך שהוא מאפשר לרכב...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
רכיב	מפרט / פרטים
גודל אצווה (n)	10 עד 100 כלי רכב
שיטות השוואה	[20],[21],[22] (אנליטי מתוך ספרות)
פרימיטיבים קריפטוגרפיים	פולינומים צ'בישב (מימוש רקורסיבי מותאם אישית), גיבוב SHA-256
פלטפורמת חומרה	מעבד Intel Core i7, 16GB RAM, Windows 11 (או מערכת ההפעלה הספציפית שלך)
ספריות מפתח	hashlib (עבור SHA-256), זמן (למדידות), פעולות מתמטיות מובנות
שיטת המדידה	זמן ביצוע ממוצע ב-1000 איטרציות באמצעות מודול הזמן
מודולוס ראשוני (p)	256– 512 ביט (ערכים קטנים כמו 7919 משמשים לבדיקות; מוגדלים לניתוח אבטחה)
שפת תכנות	פייתון 3.10
סוג סימולציה	תזמון פעולה קריפטוגרפי (לא נעשה שימוש בסימולטור רשת)