《SPlatoon》：利用轻量级认证加密技术保障小队安全

《ACM Transactions on Cyber-Physical Systems》：SPlatoon: Secure Platoon with Lightweight Authenticated Encryption

　　

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摘要

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车辆编队通过实现车辆间的紧密间距协作驾驶，提升了道路容量与安全性。此类协作需要及时地通过无线方式交换车辆状态信息（速度、位置和加速度）。然而，车辆网络容易受到攻击，这些攻击可能篡改共享信息，从而威胁编队安全。为确保消息传输的安全，采用了认证加密（AE）机制。该机制会将协作感知消息（CAM）的内容转换为密文，并添加随机数、认证标签和安全头部等安全字段。这些添加内容虽提高了加密后CAM的尺寸和信道负载，使得数据包在密集的无线环境中更容易出现延迟，进而影响编队性能。降低加密前CAM有效载荷的数值精度是一种减少这种开销的方法，以此缩小加密后数据包的大小。我们的研究结果表明，在某些较低的精度水平下，车辆编队依然安全，这说明并非始终需要全精度的CAM才能保障安全。不过，随意降低CAM有效载荷的精度会导致控制指令不准确，这些错误指令会在编队中传播，可能危及安全。本研究强调了安全开销与编队控制安全之间的设计权衡。为解决这一问题，我们提出了SPlatoon工具，该工具包括：（i）一个考虑精度因素的计算机辅助设计（CAD）框架，以及（ii）一个编队模拟器。基于CAD的框架可通过探索设计空间，系统地分析不同精度水平对编队安全性和扩展性的影响，帮助确定最小的安全低精度加密CAM尺寸以及最大的安全编队规模。而编队模拟器则利用OMNeT++、PLEXE和SUMO库模拟带有安全消息交换功能的车辆交通，在真实的公路场景下验证CAD框架的输出结果。该模拟器还在OMNeT++的网络栈中集成了轻量级的AE方案ASCON，以实现安全的车辆通信。

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