一种安全增强的无证书条件隐私保护面向IoV的抗合谋认证方案

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本文提出了一种针对车联网（Internet of Vehicles, IoV）的增强型无证书条件隐私保护认证方案（CLCPPA），旨在解决现有方案在安全性、隐私保护和效率方面的不足。该方案通过引入椭圆曲线密码学（ECC）和小指数测试（SET）技术，有效抵抗了来自不同类型攻击者的伪造签名攻击和合谋攻击，同时保持了较低的计算、通信和能耗成本。

背景知识

车联网（IoV）作为物联网（IoT）的一个重要应用领域，通过车辆与车辆（V2V）、车辆与基础设施（V2I）之间的通信来提高交通安全和效率。然而，这种通信方式面临着多种安全和隐私威胁，如拦截、注入、重放、篡改和身份冒用等攻击。为了保护通信安全和车辆隐私，条件隐私保护认证（CPPA）方案被广泛采用。CPPA方案通过数字签名技术和匿名机制，在确保消息认证和车辆匿名化的同时，允许在必要时追溯恶意车辆的真实身份。

研究方法

本文首先分析了Genc等人提出的基于椭圆曲线密码学（ECC）的高效CLCPPA方案（ELCPAS），发现该方案存在以下漏洞：

1. 伪造签名攻击：Type-1和Type-2攻击者可以利用该方案的漏洞伪造有效签名。
2. 合谋攻击：Type-3攻击者可以通过控制多个车辆进行合谋攻击，生成可以通过批量验证但至少包含一个无效签名的签名集合。

针对上述问题，本文提出了一种增强型CLCPPA方案，该方案通过以下方法提高安全性：

1. 改进签名验证方程：确保在签名验证过程中验证部分私钥，防止Type-1攻击者篡改签名。
2. 增加随机数数量：确保签名中至少有两个随机数对Type-2攻击者未知，防止其通过已知参数计算用户私钥。
3. 引入SET技术：在批量验证过程中检测无效签名，防止Type-3攻击者的合谋攻击。

实验与关键结论

本文通过形式化安全分析和非形式化安全分析，证明了所提方案能够抵抗Type-1、Type-2和Type-3攻击者的攻击，并满足以下安全要求：

1. 消息认证和完整性：验证者可以验证签名的有效性，任何对签名或参数的修改都会导致验证失败。
2. 匿名性和条件可追溯性：车辆使用匿名身份传输签名消息，同时在检测到恶意签名消息时，可信第三方可以追溯恶意车辆的真实身份。
3. 不可抵赖性：签名者无法否认其生成的签名。
4. 不可链接性：除了可信第三方外，无法将两个或多个不同的签名消息链接到同一车辆。
5. 抗合谋性：方案能够抵抗Type-3攻击者的合谋攻击。

性能分析表明，与现有CLCPPA方案相比，所提方案在保持较高安全性的同时，计算、通信和能耗成本较低。具体来说：

1. 计算成本：所提方案在签名生成、单个验证和批量验证方面的计算成本与Genc等人的方案相当，但低于其他四种方案。
2. 通信成本：所提方案的通信成本与Xu等人和Han等人的方案相当，但低于其他三种方案。
3. 能耗成本：所提方案在签名生成和验证方面的能耗成本与Genc等人的方案相当，但低于其他方案。

研究贡献

本文的主要贡献包括：

1. 安全性提升：提出了针对Type-1、Type-2和Type-3攻击者的攻击过程和对策，特别是针对Type-3攻击者的合谋攻击，提出了两种潜在的攻击方式（注入攻击和签名交换攻击）。
2. 增强型CLCPPA方案：设计了一种基于ECC的增强型CLCPPA方案，通过引入SET技术，提高了方案的抗合谋能力。
3. 形式化安全证明：提供了针对Type-1、Type-2和Type-3攻击者的严格形式化安全证明，证明了方案在随机预言模型（ROM）下对适应性选择消息攻击（EUF-CMA）的安全性。
4. 性能优化：通过性能分析，证明了所提方案在计算、通信和能耗成本方面具有优势，同时保持了较高的安全性。

未来工作

尽管本文提出的方案在安全性、隐私保护和效率方面取得了显著成果，但仍存在一些局限性，需要在未来的研究中进一步解决：

1. 全面安全性分析：未来计划对所有CLCPPA方案进行全面的安全性分析，揭示其不安全的根本原因，并提出一种通用的安全方案。
2. 量子抗性设计：考虑到未来量子计算的发展，计划基于格密码学设计一种量子抗性的CLCPPA方案。
3. 引入信誉机制：计划设计一种带有信誉机制的CLCPPA方案，结合区块链等技术，增强车联网系统的整体可信度和通信安全性。