基于量子密钥的无人机辅助车辆认证方案

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.08.003

摘要/Abstract

摘要：

随着车路云一体化的快速发展，路边单元（road side units，RSU）在车载自组网络（vehicular Ad-hoc networks，VANET）中的通信作用愈加显著。当RSU出现故障时，无人机凭借其快速部署、灵活等优点，可以快速充当临时移动基站。由于无人机与车辆之间通信的网络结构是开放且动态变化的，实现安全通信和轻量化认证是亟须解决的问题。因此，本文基于量子对称密钥和物理不可克隆函数（physical unclonable function，PUF）等混合加密方法确保信息传输的安全性，并实现对恶意无人机或车辆身份信息的追溯。性能分析表明，相比于其他轻量级认证方案，本文方案在车辆计算开销方面可降低约为5.82%-63.28%，在无人机计算开销方面可降低约为43.98%-65.98%。

关键词: 量子密钥, 车载自组网络, 身份认证, PUF

Abstract:

With the rapid development of vehicle-road-cloud integration， Road Side Units （RSUs） have become increasingly significant in communication within Vehicular Ad-hoc Networks （VANETs）. When RSUs malfunction， unmanned aerial vehicles （UAVs）， leveraging their rapid deployment and flexibility， can swiftly serve as temporary mobile base stations. Given the open and dynamically changing network structure for communication between UAVs and vehicles， achieving secure communication and lightweight authentication is an urgent issue that needs to be addressed. Therefore， in this paper a hybrid encryption method based on quantum symmetric keys and Physical Unclonable Functions （PUFs） is proposed to ensure the security of information transmission and enable tracing of malicious UAVs or vehicle identities. Performance analysis shows that， compared to other lightweight authentication schemes， the proposed solution reduces computational overhead by approximately 5.82%-63.28% for vehicles and by around 43.98%-65.98% for UAVs.

Key words: quantum key, VANET, identity authentication, PUF

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图/表 14

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参考文献 24

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符号	定义
ID/ID_a	无人机/车辆唯一标识
PWD/PWD_a	无人机/车辆启动密码
PID_d /PID_a	无人机/车辆的匿名身份
H（）	单向哈希函数
⊕	异或操作
Mac	消息验证码
T_i /T_i ’	时间戳
｛Chai， u｝ _u=_1，2，_..._，_n	挑战值
PUF（）	生成对应的响应值
QSK	预充注量子密钥
QSK_tag	预充注量子密钥标识
σ_a /σ_d	身份认证凭证
key_V /key_D-V	部分会话密钥/会话密钥

符号	定义
Secret	机密性
Alive	活性
Weakagree	弱一致性
Nisynch	非同步性
Niagree	非否认性
Da/Dd	身份认证凭证
H（XOR（keyV， H（Da））， PIDa， XOR（（Da1， H（Da））， H2Rik））	车端发送消息｛（σ_a₁， H（σ_a ））⊕ H（R_i，k ）， key_V ⊕H（σ_a ）， PID_a ｝
H（XOR（（Dd1，H（Dd））， H2Rik）， PIDd）	无人机端发送消息｛（σ_d₁， H（σ_d ））⊕ H（R_i，k ）， PID_d ｝
H（XOR（H（Da， Dd）， keyDV）， H（keyDV））	无人机端发送消息｛H（key_D-V ）， key_D-V ⊕H（σ_a，σ_d ）｝
keyDV	会话密钥

参数	取值
T_h	0.132 726
T_mac	1.082 32
T_sm4	3.779 13
T_s	338.118
T_Everi	55.257 2
T_Esign	18.592 9
T_p	1.268 93

方案	车辆计算开销	无人机计算开销
Chaudhry等	3T_sm4+3T_h ≈ 11.7356	N（2T_sm4+T_h） ≈ 7.6910N
Hussain等	T_s+15T_h ≈ 340.1089	N（2T_sm4+8T_h） ≈ 8.6201N
Mall等	T_sm4+6T_h ≈ 4.5753	N（3T_sm4+10T_h）≈ 12.6647N
Liu 等	2T_s+8T_h ≈ 677.2976	N（T_s+T_h） ≈ 338.2507N
本文方案	8T_h+3T_mac ≈ 4.3088	N（8T_h+3T_mac） ≈ 4.3088N