基于身份绑定的车载网络双向安全通信方案及其在CAN总线上的形式化验证与性能评估

《Sensors》：A Lightweight Identity-Based Secure Communication Scheme for In-Vehicle Networks

　　

摘要

智能车辆日益增长的互联性使车载网络面临消息篡改、重放、冒充和未授权访问的风险。本文提出了一种基于身份的安全通信方案，该方案将已认证会话的建立与会话建立后的数据保护分离开来。可信密钥生成中心离线提供身份绑定的私钥。随后，T-Box 和目标 ECU 执行相互认证，派生共享会话根密钥，并完成显式双向密钥确认。使用方向和用途特定的子密钥配合 SM4-CTR 和 HMAC-SM3 来保护后续流量。在 ProVerif 符号模型中，在既定假设下，所有十一个保密性和单射对应查询均返回真值。在 Windows/Python 3.12.7/UDP 原型上，单个 ECU 的握手时间中位数为 287.560 毫秒，每 8 字节消息的发送方加接收方处理中位数为 1.036 毫秒。在所述的未填充 500 kbit/s 经典 CAN 模型下，所选配置文件每条消息需要 138.75 比特，对于 18 个 ECU 且每个 ECU 100 条消息/秒的情况下，产生 49.95% 的负荷强度。所有 1200 次帧变异试验均被拒绝，且未发生未授权的明文泄露。这些结果表征了符号模型、主机实现和分析流量模型；它们不构成目标 ECU 或物理总线测量。