一种基于区块链技术的跨域切换认证方案，适用于车辆自组织网络（Vehicular Ad-hoc Networks）

《Ad Hoc Networks》：A blockchain-enhanced cross-domain handover authentication scheme for Vehicular Ad-hoc Networks

VANETs跨域场景中存在重复认证开销大、中心化权威单点故障等问题，本文提出基于区块链的轻量级ECC增强认证方案，通过去中心化撤销机制和智能合约实现跨域互认证，并验证其安全性及效率优于现有方案。

　　

王文明|赵月|刘德阳|吴卓菲|黄海平

安徽安庆师范学院人工智能与计算机科学学院，中国安庆246133

摘要

车辆自组织网络（VANET）在智能交通系统（ITS）中发挥着重要作用，但开放的无线通信和高车辆移动性使得安全高效的认证变得具有挑战性。在跨域场景中，穿越不同行政区域的车辆可能需要反复进行认证，这会带来不可忽视的开销。此外，许多现有方案依赖于集中式身份管理，存在单点故障风险，而一些分布式方法仍存在切换延迟和隐私保护不完善的问题。为了解决这些挑战，本文提出了一种基于区块链的跨域场景下VANET切换认证方案。该方案结合了轻量级的椭圆曲线密码学（ECC）操作和单向哈希函数，从而减少了切换开销并确保了跨域间的凭证连续性。此外，设计了一种去中心化的撤销机制，无需直接依赖可信权威（TA）的参与，允许路边单元（RSU）通过区块链网络广播撤销信息以及时验证合法性。安全性通过Burrows-Abadi-Needham（BAN）逻辑、Real-or-Random（ROR）预言机模型和ProVerif工具进行了评估。结果表明，该方案能够实现相互认证，并抵抗包括假冒、重放和中间人攻击在内的常见攻击。性能评估显示，与代表性方案相比，该方案的计算和通信开销更低，适用于跨域VANET环境。

引言

随着物联网（IoT）、区块链技术和边缘计算的不断发展，越来越多的智能应用应运而生，提高了日常生活的便利性。在各种新兴应用领域中，智能交通系统（ITS）被视为最具前景的领域之一。近年来，ITS受到了学术界和工业界的持续关注。在ITS中，车辆自组织网络（VANET）因其显著提高道路安全和交通效率的潜力而成为最受欢迎的网络范式之一。在VANET中，主要的通信模式是车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）[1]，[2]。装有车载单元（OBU）的车辆不仅能够与邻近车辆交互，还能通过与IEEE 802.11p或蜂窝网络的路边基础设施交互来支持信息交换和交通管理[3]，[4]。不幸的是，开放的无线通信环境存在数据被截获、窃听或被攻击者篡改的风险。这些风险不仅威胁驾驶员隐私，还危及道路交通安全。最近的研究进一步表明，智能交通及相关无线网络环境中的安全挑战日益多样化[5]，[6]。这些发展表明，车辆及相关智能网络环境中的安全保障不仅需要高效的通信支持，还需要强大且可信的保护机制。因此，有必要开发改进的认证机制来进一步提高系统的安全性和可靠性。

认证机制在VANET中起着至关重要的作用，它通过验证通信实体的身份、实施合法的访问控制以及减轻未经授权方带来的安全威胁。然而，大多数现有的VANET认证方案采用集中式服务器架构，要求车辆通过路边基础设施向可信权威（TA）注册并认证[7]。在这种设计中，TA承担了关键功能，包括系统初始化、实体注册、密钥分发、证书管理和撤销恶意车辆的凭证。这种对中央权威的过度依赖导致了单点故障的风险，即TA的安全性受损可能会威胁整个系统的安全性和可用性[8]。此外，VANET的特点是自组织、去中心化和高移动性，车辆经常穿越多个行政区域（例如不同的地区或国家）[9]。进入新区域后，单域认证变得不足，车辆必须与目标区域的实体重新认证。这些重复的程序通常会带来相当大的计算和通信开销，给资源有限的车载设备带来沉重负担。此外，跨域信任建立仍然具有挑战性，因为不同的行政区域可能缺乏相互信任，并且通常不愿意披露敏感信息。在这种情况下，区块链技术越来越被视为解决这些挑战的有希望的方法。

区块链技术是一种去中心化的范式，集成了多种技术，包括密码学、点对点传输、智能合约和共识机制[10]。凭借去中心化的架构、防篡改的存储和可追溯性，区块链支持可审计的数据操作，并为交易记录提供强大的完整性保证[11]。近年来，研究人员广泛探索了区块链技术在VANET中的应用。他们的努力主要集中在安全消息传输、访问控制和车辆密钥管理方面，并在这些领域取得了显著进展。然而，现有的跨域场景下基于区块链的切换认证解决方案受到高认证延迟、隐私保护不足和计算开销过高的限制。该领域的研究仍处于早期阶段，存在亟待解决的开放性问题。为了解决这些挑战，本文提出了一种基于区块链的跨域切换认证方案，旨在减少认证延迟和开销，同时保护用户隐私。我们的主要贡献总结如下：

• 我们提出了一种基于区块链的跨域切换认证方案，利用轻量级的椭圆曲线密码学（ECC）[12]操作和单向哈希函数，使车辆在穿越不同行政区域时能够保持服务连续性。
• 我们提出了一种无需直接依赖TA参与的车辆撤销机制。当路边单元（RSU）检测到异常车辆行为时，它可以立即通过区块链网络广播撤销信息，使所有RSU能够实时验证车辆的合法性。
• 我们使用BAN逻辑、Real-or-Random（ROR）预言机模型和ProVerif工具进行了正式和非正式的安全性分析。结果表明，所提出的方案能够实现相互认证并抵抗各种已知攻击。
• 我们将所提出的方案与现有方案在计算和通信成本以及安全特性方面进行了比较。比较结果表明，所提出的方案比现有方案更高效、更安全，适用于跨域VANET。

本文的其余部分结构如下：第2节回顾了相关工作，第3节介绍了初步知识，第4节详细描述了我们的方案，第5节提供了安全证明和分析，第6节报告了计算开销、通信开销和安全特性的性能评估，第7节总结了本文并探讨了未来的工作。

相关工作

相关工作

我们概述了之前关于基于区块链的VANET认证方案的研究，重点介绍了保护隐私的机制和切换认证协议。随着这一研究领域的进展，我们首先总结了以证书为中心和基于身份的基础，然后讨论了轻量级设计，最后回顾了多RSU和跨域切换的区块链辅助解决方案。

在早期的认证设计中，公钥基础设施（PKI）被

初步知识

在本节中，我们介绍了所提出方案的基础密码原语，以及系统架构和对抗模型。为了便于理解，表2汇总了本文中使用的主要符号。

提出的方案

所提出的方案包括五个阶段：初始化、注册、初始认证、切换认证和撤销。

安全证明和分析

本节通过BAN逻辑的正式认证验证、在ROR预言机模型下的会话密钥安全检查以及使用ProVerif的自动化验证，对我们的方案进行了全面的安全评估，并通过非正式的安全讨论来评估该方案对代表性攻击的抵御能力。

性能分析

我们通过将其性能与代表性的VANET认证方案进行比较来评估我们提出的协议。评估包括三个步骤。首先描述实验设置并测量基本密码原语的执行时间，然后计算计算和通信开销，并将这些值与Dwivedi等人[28]、Shen等人[18]、Yang等人[19]和Son等人[27]的结果进行比较。最后，我们回顾了安全属性并展示了我们的

结论和未来工作

本研究提出了一种基于区块链的跨域切换认证方案，实现了VANET的安全认证和密钥建立。通过使用轻量级的ECC操作和哈希函数，所提出的方案在资源有限的车辆设备上实现了车辆与RSU之间的相互认证，并降低了计算开销。采用了联盟区块链框架来支持跨域的信任建立，减少了对单一中央权威的依赖

CRediT作者贡献声明

王文明：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。赵月：撰写 – 原始草稿、资源、方法论、形式分析、概念化。刘德阳：撰写 – 审稿与编辑、形式分析、数据整理、概念化。吴卓菲：撰写 – 审稿与编辑、方法论、调查、概念化。黄海平：项目管理、调查、资金获取。

资金声明

本项工作得到了安徽省自然科学基金（项目编号：2308085MF223）、安庆师范学院“景福育英”创新创业引领计划（项目编号：2025JFYY005）以及安庆师范学院委托项目（项目编号：H20250043和H20230026）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

王文明