Toplu ve Transfer Doğrulama ile Araç Geçici Ağları İçin Güvenli ve Düşük Yüklü Kimlik Doğrulama Protokolü

Özet

Araç ad hoc ağında (VANET), araçlar birbirleriyle iletişim kurar ve kötü niyetli müdahaleyi önlemek için her mesajın doğrulanması gerekir. Geleneksel kimlik doğrulama yöntemleri her aracı ayrı ayrı doğrultur ve bu da önemli gecikmelere yol açar. Bu sorunu çözmek için, önerilen araştırma toplu ve transfer doğrulamasını birleştiren bir kimlik doğrulama mekanizması tanıtmaktadır.

Özet

Araç Geçici Ağları (VANET'ler), araçlar ve yol kenarı birimleri (RSU) arasında güveni sağlamak için güvenli, verimli ve ölçeklenebilir kimlik doğrulama mekanizmaları gerektirir. Geleneksel bire bir kimlik doğrulama yaklaşımları genellikle yüksek iletişim ve hesaplama yüklerine yol açar ve bu da onları büyük ölçekli araç ortamları için uygun kılmaz. Bu durum güvenlik trafik sıkışıklığına yol açar ve süreci verimsiz hale getirir ve gerçek zamanlı güvenlik uygulamaları için uygun değildir. Bunu çözmek için, çalışma, hem toplu hem de transfer kimlik doğrulamayı destekleyen hafif bir kimlik doğrulama protokolü öneriyor; böylece birden fazla aracın aynı anda kimlik doğrulaması yapılmasını ve tam protokolü yeniden çalıştırmadan doğrulama geçerliliğinin RSU'lar arasında aktarılmasına olanak tanımaktadır. Toplu kimlik doğrulamada, yol kenarı birimi bir araç grubunu aynı anda doğrular; tıpkı bir nöbetçi gibi bir otobüs dolusu önceden doğrulanmış yolcu onaylaması gibi; bu da kavşak veya ücret gişelerinde gecikmeleri büyük ölçüde azaltır. Transfer doğrulamasında, bir araç bir yol kenarı biriminin alanından diğerine geçtiğinde, doğrulama verileri güvenli bir şekilde aktarılır; bu da süreci yeniden başlatmadan sorunsuz süreklilik sağlar; bu, katılımcıların tekrar kontrol etmeden sahneler arasında geçiş yapmasına olanak tanıyan konser bilekliği gibidir. Bu şema, Chebyshev polinomlarının matematiksel özelliklerinden yararlanarak güçlü güvenlik sağlar ve daha düşük ek yükü sağlar. Performans analizi, önerilen yöntemin mevcut şemalara göre sadece 42n bayt iletişim maliyeti ve hesaplama karmaşıklığı açısından önemli ölçüde daha düşük olduğunu göstermektedir. Bu yaklaşım, ölçeklenebilirliği artırır, mesaj alışverişini azaltır ve yaygın saldırılara karşı sağlam direnç sağlar; bu da onu gerçek zamanlı araç iletişimi için oldukça uygun kılar. Genel olarak, bu yeni protokol veri yükünü azaltarak, kimlik doğrulamayı hızlandırarak ve yüksek trafik hacmlerini verimli yöneterek VANET'lerin pratikliğini artırıyor; böylece akıllı ulaşım sistemlerinin geleceği için güvenli ve ölçeklenebilir bir çözüm haline geliyor.

Giriş

Araç geçici ağları (VANET'ler), araçların birbirleriyle (araç-araca (V2V)) ve araçlarla yol kenarı altyapısı (araç-altyapı (V2I)) iletişim kurmasını sağlayarak ulaşımın güvenliğini ve verimliliğini artırır. Bu açık kablosuz ortamda, herhangi bir araç güvenlik mesajları yayınlayabilir (örneğin kaza uyarıları veya trafik güncellemeleri); Bu nedenle, mesajların meşru kaynaklardan gelmesini sağlamak için sağlam kimlik doğrulama kritik öneme sahiptir. Aynı zamanda, VANET'ler sıkı performans gereksinimleri getirir ve araçlar yüksek frekanslarda (genellikle saniyede 10 mesaj) mesaj alışverişi yapar; her mesajı doğrulamak için sadece birkaç milisaniye bırakılır; bir sonraki mesaj gelmeden önce. WAVE/IEEE 1609.2 standardında olduğu gibi eliptik eğri dijital imza algoritması (ECDSA) dijital imzaları gibi geleneksel açık anahtar kimlik doğrulama yöntemleri, önemli hesaplama ve iletişim yükleri oluşturur. Her mesaj için tek bir ECDSA imzası doğrulamak veya açık anahtar sertifikasının yönetilmesi, kaynak kısıtlı bir yerleşik birimi (OBU) bunaltabilir ve birden fazla mesajın eşzamanlı gelmesiyle kabul edilemez gecikmelere yol açabilir. Ayrıca, araçlar sık sık bağlantı noktalarını değiştirir (bir yol kenarı ünitesinden (RSU) diğerine geçer), bu da tekrar tekrar kimlik doğrulama veya el sıkışma gerektirir, bu da gecikmeyi daha da artırabilir.

Kanal	Frekans Aralığı (GHz)	Öncelik	Ana Görevler
CCH-178	5.885 – 5.895	Yüksek	Kimlik doğrulama kontrolü, hizmet reklamları, RSU'lardan ilk mesaj yayımı, toplu kimlik doğrulama başlatılması.
SCH-172	5.855 – 5.865	Yüksek	Zaman açısından kritik mesajlar (toplu kimlik doğrulama onayları, acil güvenlik bildirimleri).
SCH-174	5.865 – 5.875	Orta ve Yüksek Seviye	Navigasyon tabanlı doğrulama, trafik farkında toplu koordinasyon (kentsel hareketlilik senaryoları).
SCH-176	5.875 – 5.885	Düşük ve Orta Oran	İptal listelerinin yayınlanması, grup kimlik bilgileri güncellemeleri, periyodik yeniden doğrulama uyarıları.
SCH-180	5.895 – 5.905	Medium	Güvenli kimlik doğrulama sonrası mesaj alışverişleri (doğrulanmış gruplar için güncellemeler/bildirimler).
SCH-182	5.905 – 5.915	Düşük	Kritik olmayan hizmetler (bulut destekli doğrulama, internet tabanlı kontroller, arka plan mesajları).
SCH-184	5.915 – 5.925	Orta ve Yüksek Seviye	Yüksek verimli uygulamalar (video yayını, harita dağıtımı, doğrulanmış gruplar için OTA güncellemeleri).

Tablo 1: Güvenli araç ağları için DSRC kanal spesifikasyonları. VANET'lerde kullanılan kontrol kanalı (CCH) ve farklı hizmet kanalları (SCH) açıklar. Tüm bu kanallar 5.855–5.925 GHz frekans aralığında çalışır ve her biri 10 MHz bant genişliğine sahiptir. Bu kurulum, özellikle toplu kimlik doğrulama ve önemli güvenlik mesajları için sorunsuz ve düzenli iletişimi destekler. CCH-178 (5.885–5.895 GHz) ana kontrol kanalıydı. Kimlik doğrulama sürecini başlatmak ve güvenlikle ilgili mesajlar göndermek için kullanılır; SCH-172, SCH-174 ve SCH-184 gibi yüksek öncelikli SCH'ler acil durum uyarıları ve büyük veri transferleri gibi zaman hassasiyetli görevler için kullanılır; SCH-176, SCH-180 ve SCH-182 gibi orta ve düşük öncelikli SCH'ler, iptal listelerini güncellemek, araçları yeniden doğrulamak veya genel hizmetleri yönetmek gibi daha az acil görevleri üstlenir. Kısaltmalar; DSRC = Özel Kısa Menzilli İletişim; VANET = Araç Geçici Ağı; CCH = Kontrol Kanalı; SCH = Hizmet Kanalı; GHz = Gigahertz; MHz = Megahertz.

Tablo 1'de gösterildiği gibi, özel kısa menzilli iletişim (DSRC) spektrumu, araç ağlarında kullanımını göstermektedir. Bu tablo, her kanalın 10 MHz bant genişliğine sahip olduğu özel kısa menzilli iletişim (DSRC) 5.9 GHz bandında (5.855–5.925 GHz) kanal tahsisini özetlemektedir. Araç Geçici Ağlarında (VANET) organize ve öncelikli iletişimi sağlamak için kullanılan kontrol kanalı (CCH) ve çeşitli hizmet kanalları (SCH) vurgulanır. Kanal 178, kimlik doğrulama süreçlerini başlatmak ve güvenlikle ilgili mesajların yayını için birincil CCH olarak hizmet verir. Yüksek öncelikli SCH'ler (örneğin 172, 174 ve 184) acil durum uyarıları ve büyük veri transferleri gibi zaman açısından kritik uygulamaları desteklerken, orta ve düşük öncelikli SCH'ler (örneğin 176, 180 ve 182) iptal listesi güncellemeleri, araç yeniden doğrulama ve genel hizmetler gibi daha az acil görevleri üstlenir.

Bir diğer zorluk ise mahremiyet. Araçlar, her mesajda kalıcı kimlikleri açıklanmadan kimlik doğrulaması yapılmalıdır (takip edilmesini önlemek için). Takma adlı sertifikalar gibi çözümler, geçici kimlikler kullanarak anonimlik sağlar; ancak çok sayıda sertifikanın dağıtımı ve iptali için ek giderler getirirler. Bir araç, bir grup için mesaj imzalamak için grup imza şemaları kullanabilir. Bu, mesajı doğrularken belirli araçların anonimliğini koruyor. Ancak, bu grup imzaları ve diğer açık anahtar yöntemler, bilineline eşleşmeler ve büyük üsteller gibi karmaşık matematiğe dayanır. Bu işlemler, sürekli hızlı ilerleyen ve düşük gecikme gerektiren bir VANET ortamı için pratik değildir. Paket kaybı bu durumu daha da kötüleştiriyor. Bu nedenle, hafif bir kriptografi yöntemi gereklidir. Bu nedenle, gizlilik veya güvenliği tehlikeye atmadan birden fazla mesajı aynı anda hızlıca kontrol edebilen bir teknik geliştirilmelidir. Bu bağlamda, araştırmacılar kriptografiye uygun iki önemli özelliğe sahip olan Chebyshev polinomlarının uygulamasını araştırmıştır: yarıgrup özelliği ve kaotik davranış. Chebyshev polinom işlemlerini kullanmanın temel avantajı, eliptik eğrilere göre daha az hesaplama karmaşıklığı tüketmesidir. Bu özel özellik, simetrik ve açık anahtar kriptografi fikirlerini birleştiren yeni kimlik doğrulama sistemlerinin oluşturulmasında kullanılmıştır. Örneğin, bu polinomlardan oluşturulan tek yönlü fonksiyonlar kullanarak paylaşılan sırlar veya dijital imzalar oluştururlar; bu da verimlilik ve inkâr etmeme sağlar. Çalışmalar, bu Chebyshev protokollerinin kimlik doğrulama için kullanıldığında, araç ünitelerinin yapması gereken işin çok daha düşük olduğunu zaten göstermiştir. Bu çalışma, önerilen şemada kullanılan Chebyshev polinom tabanlı işlemlerin resmi tanımlarını ve matematiksel detaylarını sunmaktadır. Özellikle, bu çalışma güvenliği klasik kriptografik sert problemlere benzer iki varsayım üzerine dayandırır: Chebyshev polinomu ayrık logaritma problemi (CPDLP) ve Chebyshev Polinomu Diffie–Hellman Problemi (CPDHP). Bu sorunların hesaplama açısından çözülemez olduğu bilinir; bu da bir aracın kimlik doğrulamasını sahte yapmanın veya geçerli bir düğüm taklitinin hesaplama açısından mümkün olmadığını kanıtlar. Ayrıca, Chebyshev polinomları pratik bit uzunluklarına sahip büyük sonlu alanlar üzerinde tanımlandığında (örneğin, 160–256 bit) açıkça belirtilmiştir; halka açık bir polinomdan polinom derecesi veya gizli parametre alınmasının mevcut klasik^{algoritmalar 1} ile hesaplama açısından mümkün olmadığı açıkça belirtilmiştir.

Son yıllarda, Araçtan Şebekeye (V2G) elektrik verilerini işlemek için CDAS (merkezi veri kimlik doğrulama şeması) ve DDAS (dağıtık veri kimlik doğrulama şeması^{) 2} önerildi. Her iki yöntem de önceki yaklaşımlara göre daha iyi hız, güvenlik ve verimlilik gösterdi ve kullanıcı gizliliğini etkili şekilde korudu. Ancak bu çalışma gerçek dünyada dağıtımdan yoksun, dinamik fiyatlandırma senaryolarını görmezden geliyor. V2G ağları için, birden fazla elektrikli araç (EV) imzasını aynı anda doğrulamak için bilineline eşleştirmeler ve toplu imzalar kullanan, zaman tasarrufu ve hesaplama gücünü en aza indirmek amacıyla akıllı ve verimli bir toplu kimlik şeması önerildi, ancak bu çalışma, blok zincirinin uzun vadeli depolamayı nasıl etkilediğini ele almıyor. V2G ağları için kenar bilişim kullanarak yoğun EV'leri aynı anda kontrol eden akıllı bir toplu kimlik doğrulama yaklaşımı, gecikmeyi azaltmak ve sertifika sorunlarını önlemek için kısa grup imzaları ve sertifikasız kriptografi kullanarak önerildi. V2G ağları için kenar bilişim ve kısa grup imzaları kullanılarak grup EV'lerini aynı anda kontrol etmek için toplu kimlik doğrulama^{yöntemi 5} kez oluşturulmuştur; ancak çoğunlukla kalabalık EV alanlarındaki performansı tam olarak kontrol etmiyor, EV'lerin iptal politikası belirtilmiyor.

Blockchain kullanarak V2G ağlarında gizlilik odaklı veri paylaşımı için bir çerçeve önerildi⁶ nitelik tabanlı şifreleme (ABE) çerçevesi, ancak bu çalışmada toplu kimlik doğrulamayı ele alınamıyor. V2G ağları için blokzincir ve toplu işlem kullanan, gizlilik koruyan bir kimlik doğrulama yöntemi^{oluşturuldu;} bu yöntem eliptik eğri kriptografisini (ECC) ele almak için EV gruplarını aynı anda kontrol etmeye yönelik olarak kullanılmıştır. Ancak, yoğun IT ağları için ölçeklenebilirlik sorunlarını çözemiyorlar. V2G için blokzincir tabanlı anahtar yönetimi, aynı zamanda toplu işleme kullanan ve güvenli anahtar dağıtımı, yenileme ve iptal için⁸ akıllı sözleşme önererek EV gizliliğini sağladı; Ancak, gerçek zamanlı çalışmayı kontrol etmiyor ve elektrikli araçların toplu olarak iptal edilmesi konusunda net bir bilgi yok. VANET'ler için hafif bir toplu kimlik doğrulama^{yöntemi önerildi ve} Chebyshev polinomlarını kullanarak birçok aracı aynı anda düşük hesaplama ile kontrol etti. Chebyshev polinomlarının matematiksel özellikleri, ağır kriptografik adımlardan kaçınmaya yardımcı olur, böylece sistem daha hızlı çalışır ve gerçek zamanlı araç iletişimi için daha uygundur. Ayrıca gizliliği koruyor ve güçlü güvenlik sağlıyor. Ancak, çok büyük trafik, hareket eden araçlar, iptal edilen kullanıcılar ve anahtar güncelleme sürecini nasıl yöneteceğini tam olarak açıklamaz. Chebyshev polinomları kullanılarak VANETs toplu kimlik doğrulama şeması, birçok araç kimliğini daha az gecikmeyle doğrulamak için^{sunulmuştur.} Chebyshev polinomlarının kaotik kısımları anonim kimlikler, anahtar üretimi ve gizliliği destekler. Ancak bu çalışma, yoğun trafik, yüksek hızlı araçlar, kötü araçların toplu olarak çıkarılması, transfer kimlik doğrulaması ve tam anahtar kullanımı hakkında çok fazla açıklama yapmadı. VANET'ler için hafif bir parti kimlik doğrulama sistemi^{oluşturuldu 11}; bu, Chebyshev polinomlarını kullanarak büyük araç gruplarını aynı anda düşük maliyetle kontrol etmek için güvenli bir sistemdir. Mahremiyet sağlar ve gerekirse takip yapılmasına olanak tanır. Ancak, büyük ölçekli ağları tartışmaz. Ayrıca VANET kuralları ve tam anahtar yönetimiyle ilgili çalışmayı da ele almıyor. VANET'ler için birden fazla aracı aynı anda doğrulamak ve hesaplama maliyetini azaltmak amacıyla Chebyshev kaotik harita tabanlı toplu kimlik^{doğrulama şeması} önerildi. Kullanıcı gizliliğini koruyarak anonim kimlikler, takip yeteneği ve ağır kriptografik işlemleri atlayarak canlı iletişim için uygundur. Ancak, kötü niyetli araçların iptalini veya VANET kurallarına uyumu açıklamaz. VANET ağları için kimlik doğrulama ve anahtar anlaşması (AKA) şemaları ile Chebyshev kaotik haritalarının birleştirilerek birden fazla araç mesajını aynı anda kontrol etmek için hafif bir toplu kimlik doğrulaması önerildi^. Bu plan gizliliği, mesaj güvenliğini koruyor ve gerçek trafik için uygun hale getiriyor. Ancak, büyük araç grupları için nasıl çalıştığını, hızlı RSU değişikliklerinin benimsenmesini veya kötü niyetli araçların toplu olarak kaldırılmasını açıklamaz. Chebyshev kaotik haritalarını kullanarak VANET'ler için hafif toplu kimlik^{doğrulama yöntemi} oluşturuldu; bu yöntem birçok araç mesajını hızlı, daha az gecikme ve hesaplama ile kontrol etti. Gizliliği, güvenli anahtar değişimini ve ağır kripto olmadan takip etmeyi sağlar, bu da gerçek zamanlı araç iletişimi için uygun hale getirir. Ancak makale, sistemin çok sayıda aracı nasıl yönettiğini, kötü davranan araçları nasıl kaldırdığını veya hızlı hareket eden araçların RSU'lar arasında geçiş yapmasını nasıl kaldırdığını açıklamamaktadır. Ayrıca standart VANET protokolleriyle entegrasyondan yoksundur ve performansı artırmak için kenar hesaplama kullanmaz.

Bu çalışma, mesajların toplu doğrulaması ve araç teslim sırasında transfer doğrulaması için yalnızca Chebyshev polinom tabanlı mekanizmaları kullanan VANET'ler için bir kimlik doğrulama çerçevesi önermektedir. Toplu doğrulama şeması, bir RSU'nun veya alıcı aracın birden fazla mesaj imzasını tek tek doğrulamak yerine birlikte doğrulamasına olanak tanır; bu da trafik ağır yüklendiğinde mesaj başına gecikmeyi önemli^{ölçüde azaltır 8}. Transfer doğrulama protokolü, aracın farklı RSU kapsama alanlarında hareket ederken her sıçrayışta tam ve pahalı bir el sıkışması yapmadan sürekli kimlik doğrulamasını sağlar. Bunun yerine, kimlik doğrulama durumunu bir oturum veya alan adından diğerine aktarmak için hafif dinamik bir oturum mekanizması kullanılır. Her iki yönde de Chebyshev polinomları kullanılarak, bu şema VANET varlıkları için yalnızca basit matematiksel işlemlerin (örneğin modüler çarpma ve polinom değerlendirmesinden toplama) gerekmesini sağlar ve bu da OBU'ların kısıtlı hesaplama ortamı için oldukça uygun hale gelir.

Protokol

Ön Hazırlıklar

Sistem modeli: VANET sistemi üç ana varlık türünden oluşur: güvenilir otorite (TA), yol kenarı birimleri (RSU) ve araç içi üniteli araçlar (OBU). TA, başlatma, anahtar yönetimi ve ara sıra iptal işlemlerini başlatmada merkezi rol oynar. Tamamen güvenilir ve genellikle devlet veya altyapı kontrolü altındadır. Her RSU, yol boyunca konuşlandırılmış sabit bir birimdir. Bu, bir iletişim altyapısı sağlar; bu modelde RSU'lar, TA'ya güvenli bir omurga (örneğin, fiber veya güvenli ağ) üzerinden bağlı olarak varsayılır, böylece TA'dan gerektiğinde güncellemeleri gönderip alabilirler. Araçlar, araçların araca (V2V) ve araçlardan altyapıya (V2I) iletişim kurmasını sağlayan OBU'larla donatılmıştır. Bu çalışma, OBU'ların kriptografik anahtarları saklayabilen ve kriptografik işlemleri izole şekilde gerçekleştirebilen, uzun vadeli sırları fiziksel tehlikeye karşı koruyabilen bir müdahale etmeye dayanıklı cihaz (TPD) veya güvenli donanım modülüne sahip olduğunu varsaymaktadır.

İletişim modeli: Araçlar, kablosuz bir kanal (örneğin, IEEE 802.11p veya C-V2X PC5) üzerinden periyodik bir tek atış mesajı (örneğin IEEE 802.11p veya C-V2X PC5) yayımlar; bu kanallar menzildeki diğer araçlar ve RSU'lar tarafından alınabilir. Bu mesajların geçerliliği için alıcılar tarafından doğrulanması gerekir. RSU'lar ayrıca araçlara araç-altyapı (V2I) iletişimi yoluyla araçlara periyodik bilgi (trafik sinyalleri ve uyarılar) gönderir. Bu çalışmada ana odak araçtan altyapıya (V2I) mesajların doğrulamasıdır. Bu, araçların RSU'nun kapsama alanına girdiklerinde toplu doğrulama yoluyla RSU tarafından doğrulandığı anlamına gelir. V2V doğrulama, araçların aynı imza şemasını kullanmasıyla benzer şekilde gerçekleştirilebilir; ancak toplu doğrulama en çok RSU'larda faydalıdır; çünkü birçok aracın mesajını aynı anda doğrulamak gerekebilir.

Şekil 1: VANET ağında toplu doğrulama. Bu şekil, toplu kimlik doğrulama için kullanılan mimariyi gösterir ve araç partilerindeki birden fazla OBU'nun (örneğin BATCH1 ve BATCH2) kavşaklarda veya trafik noktalarında RSU'larla kablosuz iletişim kurduğunu ve bu noktaların kablolu bağlantılarla merkezi bir TA'ya bağlandığını gösterir. Protokol, Chebyshev polinomları kullanılarak yüksek yoğunluklu trafikte kimlik doğrulama taleplerinin toplu doğrulanmasını sağlar. Her araç, T_k(x) mod P'yi değerlendirerek bir kimlik tokenı hesaplar, kimliği ve zaman damgası ile birleştirir, değeri hash yapar ve RSU'ya iletir. RSU tokenları toplar ve topluca doğrular.
Kısaltmalar; VANET = Araç Geçici Ağı; OBU = Gemi Ünitesi; RSU = Yol Kenarı Birimi; TA = Güvenilir Otorite. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

VANET'lerde toplu doğrulama: Yüksek yoğunluklu trafik ortamlarında, RSU'lar çok kısa bir zaman diliminde birden fazla araçtan kimlik doğrulama talebi alabilir. Her istek için bireysel kimlik doğrulama yapılması önemli hesaplama gecikmelerine ve iletişim yükünü artırabilir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, önerilen toplu kimlik doğrulama mekanizması, Chebyshev polinomlarının matematiksel özelliklerini kullanarak verimli çoklu araç doğrulaması¹⁵ elde eder. Her araç, büyük bir asal p modüllü olarak Chebyshev polinomu T_vi(T_r(x)) değerleyerek i α bir kimlik belirteçini hesaplar; burada v_i aracın özel anahtarı, r RSU'nun özel anahtarı ve x ise genel tabandır. Çıktı, aracın dijital kimliği ve zaman damgası ile birleştirilir, hash edilir ve RSU'ya iletilir. RSU, alınan tüm tokenları tek bir değere toplar ve bunları T_r.∑vi(x) modülü p'yi kullanarak topluca doğrular. Bu yaklaşım, pahalı doğrulama işlemlerinin sayısını önemli ölçüde azaltarak kavşaklar, ücret geçitleri ve trafik dar geçitleri gibi ortamlarda ölçeklenebilirliği artırır.

Şekil 2: VANET ağlarında kimlik doğrulamayı aktarın. Bu şekil, aracın mevcut RSU'dan (Yol kenarı birimi 1) tam yeniden doğrulama olmadan bir sonraki RSU'ya (Yol kenarı birimi 2) geçmesine olanak tanıyan önerilen hafif devrim doğrulama protokolünü göstermektedir; bu da gecikmeyi azaltabilir. RSU1, kamu anahtarlarının ve rastgele bir değerin hash tabanlı birleştirilmesini kullanarak yetkili bir kart üretir, ardından ara parametreleri (ω₁, ω₂), başlangıç anahtarını (IK), şifreli oturum anahtarını ve geçici anahtarı (TK) hesaplamak için Chebyshev polinom işlemlerini uygular. Bu değerler araca gönderilir ve RSU2'ye iletilir. RSU2, veriyi doğrular ve ters Chebyshev işlemleriyle oturum anahtarını geri kazanır; böylece kesintisiz iletişim için güvenli bir oturum anahtarı (SK) oluşturur. Protokol, yüksek hızlı araç iletişim ortamlarına uygun hızlı ve güvenli handover'ları destekler. Kısaltmalar; VANET = Araç Geçici Ağı; RSU = Yol Kenarı Birimi; IK = Başlangıç Anahtarı; TK = Geçici Anahtar; SK = Oturum anahtarı. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Sorunsuz geçiş için kimlik doğrulama transferi: Araçlar RSU kapsama alanları arasında hareket ederken, her yeni RSU'da tam kimlik doğrulama yeniden yapılması gecikmeye yol açar ve güvenli oturumları bozabilir. Şekil 2'de gösterildiği gibi transfer doğrulama süreci, güvenli ve hafif bir teslimat sağlar. Mevcut RSU, aracın ve RSU'nun açık anahtarlarının birleştirilmesini ve rastgele bir oturum parametresi b_i ile birlikte yetkili bir AC kartı oluşturur. Chebyshev polinom dönüşümleri T_AC(x) modülo p kullanarak, RSU ara değerler ω_{1,ω 2} = ω₁ FPK_R i, oturuma özgü anahtar IK_i = H(ω₁FPK_vi) ve şifreli oturum anahtarı ω₃ = (E_IKi(SK_i)) hesaplar. Son olarak, geçici bir anahtar_{TK i} γ = b_i'den türetilir. IK ^i-1, başka bir Chebyshev dönüşümü T_γ(x) kullanmaktadır. Tuple (TK_{i,ω 2,ω 3}) bir sonraki RSU'ya gönderilir; RSU, tam yeniden doğrulama yapmadan araçla güvenli iletişimi doğrulamak ve yeniden başlatmak için kullanılır. Bu mekanizma, yüksek hızda hareket eden araçlar için minimum bozulma ve ultra düşük gecikme sağlar. 

Hareketlilik ve teslimat: Ağda bir konumdan diğerine hareket eden araçlar, güzergahları boyunca birden fazla RSU'ya rastlanabilir. Başlangıç RSU erişimi için Chebyshev polinom tabanlı toplu kimlik doğrulama ile hareketlilik devri için transfer kimlik doğrulamayı birleştirerek, sistem hem ölçeklenebilirlik hem de^{süreklilik 16} sağlar. Toplu kimlik doğrulama, birçok eşzamanlı araç doğrulamasını etkili bir şekilde yönetirken, transfer doğrulama RSU geçişleri sırasında yeniden doğrulama gecikmelerini azaltır. Bu mekanizmalar birlikte, VANET kimlik doğrulaması için güçlü, matematiksel olarak güvenli ve performans açısından etkili bir çerçeve oluşturur.

Chebyshev polinom ön elemeleri

Chebyshev polinomları (T_n(x)), kimlik doğrulama şemasının matematiksel temel kavramıdır. Tekrarlama formülünü takip ederler ve tek yönlü kriptografik fonksiyonlar için uygun özelliklere sahiptirler. Ana tanımlar ve özellikler şunlardır.

Tanım: Derecesi n olan Chebyshev polinomu (tam sayı n için≥ 0):

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

x için [-1,1]]. Eşdeğer olarak, gerçek sayılar üzerinde veya modül olarak bir asal P olarak tanımlanabilir. Birinci türden ilk birkaç Chebyshev polinomu T_n(x) n=4'e kadar (derecesi 0'dan 4'e kadar değişir) ve Tablo 2'de açıklanmıştır.

S.No	Derece	Tanım	Sonuç
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 (Çünkü cos(2θ) = 2cos2θ-1)	T2(x) = 2x2-1
4	T3(x)	T3(x) = cos(3.arccros x) = 4x 3-3x (Çünkü cos(3θ) = 4cos3θ-3cosθ)	T3(x) = 4x3-3x
5	T4(x)	T4(x) = 8x4-8x 2+1 (Çünkü cos(4θ) = 8cos4θ-8cos2θ+1)	T4(x) = 8x4-8x 2+1

Tablo 2: Tekrarlama ilişkisinin değerlendirilmesi. Bu tablo, önerilen kimlik doğrulama şemasının matematiksel temelini oluşturan tekrarlama ilişkisi kullanılarak hesaplanan birinci tür T_n(x) (0'dan 4'e kadar dereceler için) ilk birkaç Chebyshev polinomunu sunmaktadır. Kısaltmalar; T_n(x) = x seviyesinde değerlendirilen derece n Chebyshev polinomu; n = Polinom derecesi; x = Giriş değişkeni.

Genel olarak, tekrarı sağlarlar:

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

Bu tekrarlama, T_n(x)'in verimli yinelemeli hesaplamasını sağlar.

Yarı-grup özelliği: Çarpma üstellerine benzer şekilde, Chebyshev polinomları özellikle bir bileşim özelliği gösterir:

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

herhangi bir pozitif tam sayılar m,n için. Deyişle, önce derecesi n olan bir Chebyshev polinomunu x'e uygularsak, sonra da derecesi m olan başka bir Chebyshev polinomunu sonuca uygularsanız, bu durum m * n dereceli bir Chebyshev polinomunu doğrudan x'e uygulamaya eşdeğerdir. Bu özellik, Diffie–Hellman'da anahtar değişimi ve kimlik doğrulama protokolleri gibi Chebyshev polinomlarının kullanılmasında merkezi bir konumdur, çünkü döngüsel bir grupta üstelleşmenin (g^a)^b = (g^b)^a'ya benzediği bir özelliktir.

Kaotik davranış: Derece n>1 için, x T_n(x) haritası (x [-1,1]'te olduğunda) belirli koşullar altında kaotik eşleme olarak gösterilmiştir. Gayri resmi olarak, x'te küçük bir değişiklik, n büyük olduğunda ve T_n(x), [-1,1]'te dağılımı durumunda T_n(x)'de büyük bir şekilde dağıldığı şekilde büyük n için rastgele görünebilir. Bu "sözde rastgelelik" kriptografide öngörülemez çıktılar üretmek için faydalıdır.

Chebyshev polinom ayrık logaritma problemi (CPDLP): Bu, ayrık logaritma problemine benzer, ancak Chebyshev polinomlarını kullanır. Bir asal modül P ve genel değerler x ile y = T_n(x) mod P'yi verdiğinde, n tam sayısını bulmak çok zordur. Başka bir deyişle, x ve y biliyorsanız, sayılar büyük olduğunda n'yi anlamak son derece zordur. Bu, klasik ayrık log problemine benzer; burada^{g'den a mod} P bulmak zordur.

Chebyshev polinomu Diffie–Hellman problemi (CPDHP): Rastgele gizli tam sayılar a,b için x_{, T a}(x) ve T_b(x) verildiğinde, T_a.b(x) hesaplamak ne a ne de b bilinmeden zordur. Bu, Diffie–Hellman problemini yansıtır: g^a ve g^b verildiğinde, bir rakip g^ab'yi hesaplayamaz. Chebyshev bağlamında, T_ab(x) = T_a(T_b(x)) = T_b(T_a(x)) yarı-grup özelliğine göre; yani iki taraf birer a,b'yi bilseyse, her biri T_ab(x)'i kolayca hesaplayabilirken, sadece bireysel sonuçları bilen bir dinleme yapan kişi hesaplayamaz.

Düzenin güvenliği bu varsayımlara dayanır (CPDLP ve CPDHP çözümsüzdür). Pratik uygulama için, bu çalışma sınırlı bir alanda (modülo büyük bir asal P) işletilerek belirgin davranışı garanti eder. Genellikle, [2,P-2]'deki rastgele bir sayı x sistem parametresi olarak seçilir (bu, çarpma grubundaki bir jeneratör gibi bir rol oynar). TA böyle bir x seçer ve bunu kamu parametrelerinin bir parçası olarak yayınlar. Sonra Chebyshev polinomları, P modunda tekrarlanma formülü ile hesaplanabilir. Bu durumda x [-1,1]'te olmasa da, [-1,1] dışındaki değerler için Chebyshev polinomları ile hiperbolik kosinüs arasındaki izomorfizmi kullanabilir veya tekrarı cebirsel olarak P'yi mod eder. Kaotik özellik, kesin anlamda, gerçek aralıklar için geçerlidir; ancak kriptografik kullanım için çalışma, CPDHP'nin sonlu alandaki sertliğinden kaynaklanan öngörülemezliğe dayanır.

Saldırı modeli

Chebyshev polinomlarını kullanan VANET'ler için önerilen toplu ve transfer kimlik doğrulama çerçevesinde, araştırmacılar hem dış hem de iç düşmanların güvenli iletişimi bozmaya çalışabileceği gerçekçi bir tehdit ortamını değerlendirmektedir. Dış saldırganlar, araç ağı dışındaki varlıklardır ve herhangi bir meşru kimlik doğrulama belgesine sahip olmadan kötü amaçlı mesajları yakalamak, değiştirmek veya enjekte etmek amacıyla^{kullanılır 17}. Öte yandan, dahili saldırganlar, zaten geçerli kimlik bilgilerine sahip olan ancak bunları başkalarının kimliğini taklit etmek, veri sahte etmek veya koordineli saldırılar başlatmak için kötüye kullanan zararlı veya kötü niyetli araçlar veya RSU'lardır.

Ortadaki adam (MIM) saldırısı: Düşman, iki meşru taraf arasındaki mesajları yakalar ve iletir, içeriklerini değiştirme potansiyeline yol açar. Protokol, Chebyshev polinom probleminin sertliğine dayalı karşılıklı kimlik doğrulama ve oturum anahtarı anlaşması kullanarak bu durumu hafifleder; böylece yakalanan herhangi bir verinin tespit edilmeden hesap olarak manipüle edilmesini^{sağlar 18}.

Tekrar izleme saldırısı: Saldırgan, yetkisiz erişim sağlamak veya ağ karışıklığına yol açmak için önceden yakalanan geçerli mesajları yeniden gönderir. Araştırmacılar, bu sorunu doğrulama sürecine zaman damgaları ve oturum tanımlayıcıları dahil ederek ele alıyor; böylece mesajların sadece kısa bir zaman aralığında geçerli olmasını ve daha sonra tekrar kullanılamayacağını garanti ediyor.

Taklit saldırısı: ayrıca bir saldırganın meşru bir araç veya RSU gibi davranmaya çalıştığı durumlarda da kabul edilir. Kimlik doğrulama sürecini benzersiz Chebyshev polinom anahtarlarına sıkı bağlayarak ve toplu ve transfer doğrulama sırasında dijital imzaları doğrulayarak sistem, yalnızca gerçek katılımcıların iletişim kurabilmesini sağlar.

Dinleme saldırıları: düşmanların iletişimi pasif olarak izleyerek hassas bilgileri elde ettiği saldırılar. Önerilen plan, güvenli oturum anahtarı üretimi yoluyla gizliliği sağlar; bu nedenle, veri paketleri ele geçirilse bile, gizli anahtar olmadan anlaşılmaz kalır.

İş birliği saldırıları: birden fazla tehlikeye uğramış varlığın kimlik doğrulama protokolünü bozmak için iş birliği yaptığı. Toplu doğrulama ve transfer doğrulamasında bağımsız doğrulama kullanımı, tehlikeye giren düğümlerin geçerli kimlik bilgilerini toplu olarak sahte etmesini engeller.

Sembol	Tanım
Ui	VANET'teki i-nji araç
RSU	Yol Kenarı Birimi
Ta	Güvenilir Otorite
TSi	Araç tarafından oluşturulan zaman damgası
TARSU	RSU tarafından oluşturulan zaman damgası
TSTA	TA tarafından oluşturulan zaman damgası
ΔT	Mesaj geçerliliği için izin verilen maksimum saat farkı
DIDUi	U i aracının takma ad tabanlı kimliği
DID RSU	RSU'nun takma ad tabanlı kimliği
Tv(x)	Chebyshev polinomu ve aracın özel anahtarı "v"
TV(x)	Chebyshev polinomu ve Güvenilir otoriteli özel anahtar "b"
TPKRi(x)	RSU'nun açık anahtarıyla Chebyshev polinomu
αi	Identity hash aracı Ui tarafından hesaplandı
βi	RSU tarafından Ui için hesaplanan kimlik hash
θi	Toplama için kullanılan Ui'den polinom doğrulama belirteci
θ'agg	Beklenen toplu polinom (TA hesaplanmıştır)
θagg	Tüm araçlardan Θi toplu polinom çarpımı
M i,n i	TA tarafından oluşturulan rastgele oturum anahtarı tohum değerleri
ri,u i	RSU ve araca sırasıyla atanan gizli skaler değerler
PUBRSU	RSU'nun açık anahtarı
PUBarayüzü	U i aracının açık anahtarı
E1(i),E2(i)	Gizlilik için hash ile hesaplanan değerleri maskeleme
IK(i)	Kimlik doğrulama/oturum anahtarı değişim mesajlarının bileşenleri
SKi	Araç ile RSU arasında son oturum anahtarı belirlendi
H(.)	Çarpışmaya dayanıklı hash fonksiyonu
ESK(.)/DSK(.)	Oturum anahtarı kullanılarak simetrik şifreleme/şifre çözme
||	Birleştirme operatörü
mod P	Büyük bir asal p üzerinde modüler çalışma

Tablo 3: Notasyonlar. Bu tablo, makale genelinde kullanılan anahtar sembolleri, parametreleri ve kriptografik gösterimleri listeler.

Önerilen Şema:

Önerilen bu şema iki ana bileşenden oluşur: (i) Chebyshev polinomları kullanılarak toplu mesaj doğrulama mekanizması ve (ii) RSU'lar arasında araç teslimatları için transfer doğrulama protokolü. Bu çalışma önce sistem kurulumuna genel bir bakış sunuyor ve ardından her bileşeni sonraki bölümlerde ayrıntılı olarak tanımlıyor; ayrıca terim ve notasyon Tablo 3'te gösterilmiştir.

Araç kaydı:

Adım 1: Her araç kimlik doğrulama sürecini başlatır. Aynı RSU ile kimlik doğrulama denemesi için t zamanında n araç u_{, u 1, u 2},_{u 3}....,_{n n} olsun. Her araç, u_i hesaplamaktadır:

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

Sonra, u_i gönderiyor:

I₁⁽ⁱ⁾ = (α_{i,DID ui,TS i}) (2)

RSU'ya.

Adım 2: RSU, tüm I₁⁽ⁱ⁾'yi aldıktan sonra toplu kimlik doğrulamaya hazırlanır ve hazırlar:

1. Zaman damgası doğrulaması: |TS_c - TS_i| ≤ ΔT
2. Her araç için RSU yanıt hash'ini hesaplayın: β_i = H(DID_RSU||T_ri(T_b(x))||TS_RSU)
3. Chebyshev tokenlarını hesapla: θ_i = T_vi(T_PKRi(x)) mod P
4. Tüm tokenları topla:   
5. Parti mesajını hazırlayın ve TA'ya gönderin.

Adım 3: TA toplu imzaları doğrular

1. Zaman damgasını doğrulayın: TS_TA - TS_RSU ≤ ΔT
2. RSU hash'ini kontrol et: β_i^* = H(_RSU MI || T_b(T_ri(x)) || TS_RSU) = β_i 
3. Araç hash'ini kontrol et: α_i^* = H(DID_{u i}|| T_b(T_vi(x)|| TS_i) = α_i 
4. Toplu doğrulama: _θ'agg = T_∑vi(x)mod P
H(θ_agg) = H(θ_agg^') Eğer hepsi geçerse, kimlik doğrulama başarılıdır.

Adım 4:_{Her u i}, TA için oturum anahtarı (toplu olarak) oluşturulur:
1. Hesaplama: E₁⁽ⁱ⁾ = H(PUB_RSU||r_i||TS_RSU)
E₂⁽ⁱ⁾ = H(PUB_ui||v_i||TS_i) .
2. Rastgele değerler m_{i,n i}Z^*_P üret 
3. Oturum anahtarını hesaplama: SK_i = H(_{m i}||n_i||r_i||v_i)
4. Şifreli bileşenler oluşturun:
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)
Paket gönder: {I₃⁽ⁱ⁾,I₄⁽ⁱ⁾,I₅⁽ⁱ⁾,I₆⁽ⁱ⁾,TS_TA}ⁿ_i=1 

Adım 5: RSU, her araca oturum bilgisi_gönderir 
1. İyileşme: H(m_i) = I₃⁽ⁱ⁾E₁⁽ⁱ⁾ 
SK_i = I₅⁽ⁱ⁾H(m_i)
2. Size_i göndermek : {I₄⁽ⁱ⁾,I₆⁽ⁱ⁾,TS_RSU+1}

Adım 6: Araçlar_{her u için} oturum anahtarını çıkarmayı tamamladı 
1. Hesaplama: H(n_i) = I₄⁽ⁱ⁾E₂⁽ⁱ⁾ 
SK_i = I₆⁽ⁱ⁾H(n_i)
2. Mesajları şifrelemek için oturum anahtarını kullanın:
E_SKi(m_i||PUB_ui||PUB_RSU)

Adım 7: Sorunsuz geçiş için kimlik doğrulamayı aktarın
Adım 7.1: RSU tarafından yetkilendirilen kart üretimi hesaplanacak
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) mod P
γ = b_i. IK ^i-1 
(TK_{i,ω 2,ω 3}) numarasını bir sonraki RSU'ya gönderin.
Adım 7.2: Komşu RSU tarafından doğrulama
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
Adım 7.3: Oturum anahtarı kurtarma (Yeni RSU şifre çözme)
SK_i = D_IKi^'(ω₃)

U i aracı artık yeni RSU bölgesinde doğrulanmıştır ve algoritmada kullanılan tüm notasyonlarla güvenli iletişimi sürdürebilir; algoritmada detaylandırılmıştır.

Şekil 3'te, araştırmacılar transfer doğrulamasını bir yüzme şeridi diyagramı ile ayrıntılı olarak açıklamışlardır; mevcut RSU'nun yetkilendirmeyi yeni RSU'ya parametrelerini (TK_{i,ω 2,ω 3}) göndererek nasıl aktardığını ve bu parametreleri yeni RSU'dan aldıktan sonra doğrulamaları şu şekilde doğruladığını
T_TKi(IK_i^'(HOR_i))mod P = T_t(x)mod P . Bu oturumdan itibaren anahtar yeni RSU tarafından geri alınacak ve Araç'a gönderilecek.

Şekil 3: İki RSU arasında kimlik doğrulama transferi. Bu şekil, bir aracın mevcut Yol Kenarı Birimi (RSU 1) ile bir sonraki Yol Kenarı Birimi (RSU 2) arasında güvenli bir devri kolaylaştırdığı bir VANET'teki transfer doğrulama protokolünün akış şemasını göstermektedir. Süreç, RSU 1'de kimlik doğrulamalı kart üretimi ve kriptografik hesaplamalarla başlar, ardından parametrelerin araca ileti, doğrulama ve RSU 2'de oturum anahtarı geri kazanılması ile sonuçlanır ve güvenli bir oturum anahtarı oluşturulur. Kısaltmalar; VANET = Araç Geçici Ağı; RSU = Yol kenarı birimi. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Sonuçlar

Güvenlik analizi

Gayriresmi güvenlik analizi

Taklit saldırısı: Bir düşman, yetkisiz erişim sağlamak veya kimlik doğrulamayı bozmak için meşru bir_{araç veya yol} kenarı birimi (RSU) taklit etmeye çalışabilir, ancak bu taklit sağlam güvenlik mekanizmaları nedeniyle hesaplama açısından mümkün değildir. Her araç ve RSU, kimlik tokenları oluşturmak için ilgili özel anahtarlarını (v_i, ...

Tartışma

Önerilen toplu ve transfer kimlik doğrulama sistemi, geleneksel bire bir doğrulamanın sınırlamalarını aşarak VANET performansını önemli ölçüde artırmaktadır. Toplu kimlik doğrulama sayesinde, birden fazla araç aynı anda RSU tarafından doğrulanabilir; bu da hesaplama ve iletişim yükünü azaltır ve yoğun trafik koşullarında verimli büyük ölçekli operasyon sağlar. Bu mekanizma, daha hızlı kimlik doğrulama döngüleri ve daha iyi bant genişliği kullanımı sağlar; böylece hem hız hem de güvenilir...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Bileşen	Teknik Özellikler / Detaylar
Parti Boyutu (n)	10 ila 100 araç
Karşılaştırma Şemaları	[20],[21],[22] (literatürden analitik)
Kriptografik İlkel Varlıklar	Chebyshev polinomları (özel özyinelemeli uygulama), SHA-256 hash
Donanım Platformu	Intel Core i7 işlemci, 16 GB RAM, Windows 11 (veya özel işletim sisteminiz)
Ana Kütüphaneler	hashlib (SHA-256 için), zaman (ölçümler için), yerleşik matematik işlemler
Ölçüm Yöntemi	Zaman modülü kullanılarak 1000 yineleme boyunca ortalama yürütme süresi
Asal Modül (p)	256– 512 bit (test için kullanılan 7919 gibi küçük değerler; güvenlik analizi için ölçeklendirilmiş)
Programlama Dili	Python 3.10
Simülasyon Tipi	Kriptografik işlem zamanlaması (ağ simülatörü kullanılmıyor)