车载adhoc网络的安全认证方案

本章提出的无缝认证方案是由以下四个阶段构成的：初始车辆认证阶段、移动预测阶段、预认证阶段和切换阶段。

9.3.2.1 阶段一：初始车辆认证

在车辆（用V表示）可以访问互联网服务之前，它需要与认证－授权－计费（AAA）服务器进行双向认证。当前设备或应用与AAA服务器进行通信的协议标准是远程认证拨入用户服务（RADIUS）［10］，它也被称为RADIUS服务器。具体流程如图9-3所示。V首先与最近的AP进行关联请求，然后该AP发送一个可扩展身份认证协议（EAP）请求询问V的身份。在接收到V的身份后，AP向AAA服务器发送一个RADIUS接入请求，与之一同发送的还有V的身份。随后AAA服务器和V利用公钥基础设施进行双向认证。一旦双向认证完成，就可以建立起一个如传输层安全（TLS）之类的安全通道。需要注意的是，AP对于V和AAA服务器来说是透明的，它只是将消息转发给双方。

为了使V能够接入AP，AAA服务器为它们生成一对主密钥（PMK）。此外AAA服务器创建一个种子S，设定一个长度N，用来产生一个单向散列链，并将它们发送给V。长度N表示V与互联网服务断开之前最多可与N个AP连接，因此N应足够大，以便维持一个稳定的连接。同时AAA服务器还创建了H^N（S），并将其与PMK一起发送到AP。为了提高生成H^N（S）的速度，AAA服务器可以离线创建一个元组集＜S，N，H^N（S）＞。最后，V和AP（已接收到PMK）开始进行四次握手，为802.11协议协商所需的安全参数。

图9-3 初始的车辆认证

在V接入互联网后，它可以使用从AAA服务器获得的种子S和长度N，产生用于将来认证的散列链。因为哈希链的生成是在初始认证之后和V切换到下一个AP之前进行的，所以它不会对下一个AP的认证操作造成延迟。另外值得指出的是，AP仅知道散列链中的一个元素H^N（S），并不知道散列链中的其他元素。

9.3.2.2 阶段二：运动预测

在这个阶段，当前正在与一辆车关联的AP将对该车的运动做预测，以判断车辆下一步将切换到哪个AP。这个阶段是为阶段三做准备。车辆的运动预测包含两种情况：沿道路移动和在一个交叉路口。在第一种情况中，车辆的运动只有两个方向，向前或者是向后。在这种情况下，我们定义一个R³空间，空间中的样本是一个三维矢量，并表示如下：

〈Direction，Speed，Acceleration〉（9.1）其中，Direction表示车辆运动的方向，比如向东或向西；Speed表示车辆运动的速度；Acceleration表示车辆是加速还是减速，正值表示加速，负值表示减速。

R³中的空间矢量（X）作为车辆的特征能够以离线方式从一个RSU获取。然后这些矢量作为训练样本被输入到9.3.1小节所描述的多层感知分类器中。反向传播算法被用来训练分类的权重。在这种情况下，输出层神经元的数目等于2，因为仅存在两种可能的输出，即向前或向后。在做决定时，这两个神经元中输出值较大的被视为正确的结果，例如第一神经元表示向前，而第二神经元表示后退。如果输出层的结果是第一神经元比第二神经元大，则意味着车辆将在不久的将来向前方运动。

在图9-4所示的VANET中，在第一种场景的大多数情况下车辆是向前运动，除非是发生了交通事故。然而对于第二种场景即车辆通过交叉路口时，预测车辆的运动方向将变得更加复杂，如图9-5所示。一般来说，当车辆到达交叉路口时，车辆存在四种不同的方向选择：左转、右转、前进或掉头。类似于第一种情况，本节定义一个R⁵空间，空间中的样品是一个5维矢量，并表示如下：

〈Direction，Speed，Acceleration，Turn－Light，Traffic－Light〉（9.2）其中，前三个字段与第一个方案中的三个参数的意义相同；第四字段Turn－Light表示车辆转向灯的信号，特别是当车辆将要在交叉路口转向的时候，该字段有5个可能的值，即0.2、0.4、0.6、0.8和1。它们分别表示左转向灯闪烁、右转向灯闪烁、制动灯闪烁、左转向灯和制动灯同时闪烁、右转向灯和制动灯同时闪烁；最后一个字段Traffic－Light表示当前交通信号灯的颜色：红色、绿色或黄色。

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图9-4 沿道路的移动方向预测

类似于第一种场景，在R⁵空间矢量（X）被视为训练样本，它们也是从一个RSU获得的。输出层的神经元的数量取决于交叉路口有多少种可能的方向，例如图9-5所示的场景，该值等于4。每个神经元代表一个车辆将要转向的方向，并且输出层中神经元的值为最大的表示预测的结果。

当前正在与车辆关联的AP根据其对车辆运动方向的预测，可预先将该车辆与下一个AP关联时需要的认证凭证准备好。

图9-5 在交叉路口的移动方向预测

9.3.2.3 阶段三：预认证

根据第二阶段预测的结果，AP_i（AP_i代表自从车辆V与AAA服务器完成初始身份认证后与之正在关联的第i个AP）可以预测哪个邻居AP将为AP_i＋1。在V与AP_i断开关联并切换至AP_i＋1之前，AP_i负责将V的身份和相应认证凭证发送给AP_i＋1。需要注意的是，这里假设AP_i和AP_i＋1之间的通信信道是安全的。在本章的方案中，AP_i向AP_i＋1发送H^N－i（S）、H（PMK_i）和V的身份。H^N－i（S）是由AP_i－1提供的散列链中第（N－i）个元素，S是由AAA服务器在初始认证过程中提供给V的散列链的种子。AP_i＋1将使用H^N－i（S）认证V。PMK_i是由V和AP_i共享的主密钥对，H（PMK_i）是PMK_i的散列值，H（.）是散列函数，如SHA－1。AP_i＋1利用H（PMK_i）生成PMK_i＋1。在AP_i＋1接收到V的身份和认证凭证后，AP_i＋1将这些信息存储其本地数据库中，以便在下一阶段使用。

9.3.2.4 阶段四：切换

当V检测AP_i＋1的信号强度比AP_i更强时，V将开始向AP_i＋1切换，并与AP_i＋1执行如图9-6所示的认证过程。V首先向AP_i＋1发送关联请求以便开始一个认证过程。然后，AP_i＋1返回关联响应，并请求V的认证凭证。之后，V将H^N－i－1（S）提供给AP_i＋1，它是V与AAA服务器进行初始认证之后所生成的散列链的第（N－i－1）个元素。在接收了H^N－i－1（S）之后，AP_i＋1检查其本地数据库，看是否有V的凭证信息。如果有，AP_i＋1检查H^N－i（S）是否等于H（H^N－i－1（S））。如果相等，AP_i＋1通知V认证成功。因为V和AP_i＋1具有相同的H（PMK_i）和H^N－i－1（S），所以它们可以产生H（H（PMK_i）‖H^N－i－1（S））作为它们的主密钥对以及一个独立的创建PMK_i＋1的过程。

图9-6 车辆预认证

如果AP_i＋1的本地数据库中没有V的凭证信息，这就意味着由AP_i预测的V的运动结果是错误的（9.5节的性能评估表明，预测错误的概率是非常小的）。在这种情况下，AP_i＋1立即向AP_i要求与V身份相关联的H^N－i（S）和H（PMK_i）。在接收到这些信息后，AP_i＋1再次检查H^N－i（S）是否等于H（H^N－i－1（S））。类似于上述内容，如果两者相等，则认证V成功；否则，拒绝V的接入。该方案的最后一个步骤需要执行4次握手。

在AP_i＋1成功认证V后，它将从本地数据库中删除V的凭证信息。AP_i＋1收集V的运动特性信息，以形成如第二阶段中定义的5维或3维矢量，并预测其AP邻居AP_i＋2，以便V在不久的将来进行切换。然后，AP_i＋1重复第二阶段的过程。