基于量子密钥的车-云加密通信架构研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.06.004

摘要/Abstract

摘要：

目前主流的车-云安全通信方法是采用公钥保护对称密钥加密数据，但公钥方法计算耗时，且存在被以量子计算为代表的超计算能力快速破解的风险。因此，当前智能网联汽车车-云通信存在着较大的安全隐患。本文将量子密钥应用于对称密钥的保护，提出了一种全新的融合量子密钥的车-云加密通信架构，实现了通过预置密钥进行对称会话密钥的无线分发和BB84协议下对称会话密钥的实时协商。对上述架构进行安全性分析和性能分析，结果表明该架构在威胁场景下对数据具有较高的保护性，通信的平均时延和丢包率控制在16.861 ms和0.0248%范围内，实现了安全高效的车-云通信。

关键词: 加密通信, 车联网, 量子密钥, 车-云架构

Abstract:

At present， the mainstream vehicle-cloud secure communication method uses public key to protect symmetric key to encrypt data， but the public key method is time-consuming and there is the risk of being quickly cracked by supercomputing power represented by quantum computing. Therefore， the current intelligent networked vehicle-cloud communication has great security risk. In this paper， quantum keys are applied to the protection of symmetric keys， and a new vehicle-cloud encryption communication architecture based on quantum keys is proposed， which realizes wireless distribution of symmetric session keys through preset keys and real-time negotiation of symmetric session keys under the BB84 protocol. The security analysis and performance analysis of the above-mentioned architecture show that the architecture has high protection for data in threat scenarios， with the average communication delay and packet loss rate controlled within the range of 16.861 ms and 0.0248%， thus achieving safe and efficient vehicle-cloud communication.

Key words: encrypted communication, car networking, quantum key, vehicle-cloud architecture

石琴,鲁康源,程腾,王川宿,张星,许佩玲. 基于量子密钥的车-云加密通信架构研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(6): 936-943.

Qin Shi,Kangyuan Lu,Teng Cheng,Chuansu Wang,Xing Zhang,Peiling Xu. Research on Vehicle-Cloud Encryption Communication Architecture Based on Quantum Key[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(6): 936-943.

图/表 20

图1

图2

表1

表2

价值对象对应的网络安全属性与损害场景"

价值对象	网络安全属性	损害场景
QKDM	完整性	1.篡改代码，导致QKDM无法正常运行。
	完整性	2.QKDM服务器被破坏，造成QKDM完全瘫痪。
	机密性	3.密钥被窃听，造成密钥泄露，机密数据被破译。
密钥服务系统	完整性	4.篡改代码，造成密钥服务系统无法接收到QKDM传输的密钥。
	完整性	5.接收密钥之后，修改下发的密钥，造成数据加密过程被控制。
	机密性	6.接收到的密钥被窃取，导致加密过程透明化。
	认证	7.冒充密钥服务系统接收QKDM的密钥，导致密钥泄露。
安全介质	完整性	8.纂改代码，导致无法接收线下充注的预置密钥。
安全介质	机密性	9.预置密钥被窃取，导致会话密钥被破解
T-BOX	完整性	10.纂改代码，造成无法接收来自云端的密钥。
	完整性	11.传输的数据被修改，云端收到错误信息。
	机密性	12.会话密钥泄露，造成数据信息被窃听。
	授权	13.被伪造ID信息获取到云端下发的密钥，造成密钥泄露。
	可用性	14.预置密钥被修改，无法识别并进行下一步的加解密流程。
预置密钥	完整性	15.预置密钥被获取并被修改，导致T-BOX无法识别，加密过程无法进行。
	机密性	16.预置密钥被截获，造成会话密钥被窃听到，从而导致加密过程对敌方透明。
	认证	17.伪造车辆安全介质，导致虚假ID车辆获得与云端通信的权限。
会话密钥	完整性	18.被截获并被修改，导致车辆收到错误密钥。
	机密性	19.会话密钥被截获，导致数据加密流程透明化。
	认证	20.伪造车辆ID，并获得云端下发的会话密钥。
动态协商密钥	完整性	21.密钥被截获并被修改，导致加密过程被监视。
明文	完整性	22.明文被截获，被修改为其他数据，造成通信内容被篡改。
	机密性	23.明文被敌方获取，导致信息泄露。
	认证	24.数据被传输到伪造的云端，导致车-云无法通信。
密文	完整性	25.密文被截获，修改为其他数据，造成云端收到错误信息。
	机密性	26.密文被截获并破译，导致通信内容被篡改。
	认证	27.密文被传输到伪造的云端。

表2

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表9

表10

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图8

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参考文献 18

1	RAYA M， HUBAUX J P. The security of vehicular ad hoc networks［C］. Security of ad hoc and Sensor Networks. ACM， 2005.
2	HARN L， HSU C， XIA Z. General logic-operation-based lightweight group-key distribution schemes for internet of vehicles［J］. Vehicular Communications， 2022（Apr.）：34.
3	BAYAT M， BARMSHOORY M， RAHIMI M， et al. A secure authentication scheme for VANETs with batch verification［J］. Wireless Networks， 2015， 21（5）： 1733-1743.
4	PEEV M， NÖLLE M， MAURHARDT O，et al. A novel protocol-authentication algorithm ruling out a man-in-the middle a ttack in quantum cryptography［J］. International Journal of Quantum Information，2005，3（1）.
5	GORDON G，RIGOLIN G. Quantum cryptography using partially entangled states［J］. Optics Communications，2009，283（1）.
6	WANG X. Collisions for hash functions MD4， MD5， HAVAL-128 and RIPEMD［J］. IACR Eprint， 2004.
7	IAVICH M， TBILISI G， KUCHUKHIDZE T， et al. Novel quantum random number generator with the improved certification method［J］. International Journal of Mathematical Sciences and Computing（IJMSC），2021，7（3）.
8	KLEINJUNG T， AOKI K， FRANKE J， et al. Factorization of a 768-Bit RSA modulus［C］. Annual Cryptology Conference. Springer， Berlin， Heidelberg， 2010.
9	AZEES M， VIJAYAKUMAR P， DEBOARH L J. EAAP： efficient anonymous authentication with conditional privacy-preserving scheme for vehicular ad-hoc networks［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2017， 18（9）： 2467-2476.
10	CHAKRABARTI S， BABU G.The security enhancement of symmetric key crypto mechanism based on double stage secret model［J］. Information Security Journal： A Global Perspective，2021，30（6）.
11	ABROSHAN H. A hybrid encryption solution to improve cloud computing security using symmetric and asymmetric cryptography algorithms［J］. International Journal of Advanced Computer Science and Applications （IJACSA），2021，12（6）.
12	WOOTTERS W K， ZUREK W H. A single quantum cannot be cloned ［J］. Nature （London）， 1982， 299： 802-803.
13	BUZEK V， HILLERY M. Quantum copying： beyond the no-cloning theorem ［J］. Phys Rev A，1996， 54： 1844.
14	DIEKS D.Communication by EPR devices［J］. Physics Letters A， 1982，92（6）：271-272.
15	BENNETT C H. Quantum cryptography： public key distribution and coin tossing［C］.Proc of IEEE International Conference on Computers. Institute of Electrical and Electronics Engineers， 1984.
16	ABDULLAH A A， JASSEM Y H. Enhancement of quantum key distribution protocol BB84［J］. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience，2019，16（3）.
17	LEE C C， LAI Y M. Toward a secure batch verification with group testing for VANET［J］. Wireless Networks， 2013， 19（6）： 1441-1449.
18	CHIM T W， YIU S M， HUI L C K， et al. SPECS： secure and privacy enhancing communications schemes for VANE Ts［J］. Ad Hoc Networks， 2011， 9（2）： 189-203.

网络安全属性	损害场景标准
完整性	修改数据或者代码
机密性	机密信息是否泄露
认证	冒充他人身份
不可抵赖性	否认做过的事
可用性	拒绝服务
授权	未经授权许可

评判因子评级	分数	评估原则
严重的	4	威胁到评估对象的存亡、评估对象受到致命打击
重大的	3	严重伤害评估对象
中等的	2	轻微的伤害评估对象
微乎其微的	1	没有伤害评估对象

等级	总分数	对应的损害场景
微乎其微的	4	3、7、13、14、20、21、27
微乎其微的	5	4、9、17、18、
中等的	6	6、8、10、11、15、25
	7	5、12、16、19、24、26
	8	1、2
	9	22、23、

表2中的损害场景	威胁场景和攻击路径
1	通过接入QKDM的接口，篡改代码
2	有非工作人员进入服务器室，物理攻击服务器
3	运用工具监听或者窥探量子信道的密钥协商
4、5、6	通过接入密钥管理服务器的端口或者黑客行为，篡改代码，造成服务器瘫痪或者完全控制密钥管理服务器
7	制造一个完全相同的密钥管理系统
8-14、16、22、23	接入车辆的T-BOX接口，篡改内部代码，完全控制T-BOX
15	在线下充注时，预置密钥被人为修改
17	线下充注时，预置密钥以随机数文件形式存在，被人为替换成伪造的密钥
18、19	在获得预置密钥的前提下，解密会话密钥
20	了解生产时车辆ID的组成和构造原理，并且有相同的认证机制
21	监听偷窥到量子密钥协商的过程
24、27	制造一个相同的云端
25、26	在获得预置密钥和会话密钥的情况下通过黑客技术监听数据传输过程

评估因素	评估原则
经历时长	进行攻击所需要的时间长短
专业知识	进行攻击所需要的专业知识是否容易获取或学习
对象的知识	对所攻击的对象的相关知识是否充分了解或者易于获取
窗口期	实现攻击的条件要素是否具备
设备	具有攻击功能的设备是否易于获得，是否易于上手