[發明專利]一種基于重加密和假名交換的位置服務算法

有效

• 申請號: 202110004014.0
• 申請日: 2021-01-04
• 公開（公告）號: CN112804646B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 徐會彬;黃旭;曾孟佳
• 申請（專利權）人: 湖州師范學院
• 主分類號: H04W4/029
• 分類號: H04W4/029;H04W4/40;H04W12/33;H04W12/069
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 劉妮

1.一種基于重加密和假名交換的位置服務算法，其特征在于：包括如下步驟：

S1：建立系統模型：整個系統主要由執法機構LEA、交通信息中心TIC、RSUs和車輛構成；

S2：建立基于身份加密和簽名函數，包括：

主密鑰生成函數Setup(k)，通過執行Setup(·)，產生主密鑰

基于身份的私鑰生成函數Extract(id)，依據身份id,函數Extract(id)生成私鑰其中pk_id＝H₁(id)；H₁:{0,1}*→Ghash函數；

基于身份的加密函數Encrypt(id,m)，給定身份信息id∈{0,1}^*和消息m∈G₁,函數Encrypt(id,m)生成密文c＝(c₁,c₂),其中c₁＝g^r,c₂＝m·e(pk_id，pk_id)^r,

解密函數Decrypt(c,sk_id)，給定密文c和私鑰sk_id,函數Decrypt(c,sk_id)解密消息m＝c₂/(e(sk_id，c₁))；

重加密函數給定私鑰sk_id和身份id₁,id₂,函數輸出重密鑰

簽名函數Signid(sk_id,m)，給定私鑰sk_id和消息m,函數Signid(sk_id,m)產生簽名；

S3：初始階段：執法機構LEA先選擇同素數階q的雙線性映射群(G,G_T)和隨機參數g,h∈G，然后再選擇一個隨機數作為執法機構LEA的主密鑰，并計算相應的公鑰A＝g^α，執法機構LEA然后選擇Hash函數：H₁：{0，1}^*→G，H₂：{0，1}^*→G²，H₃：H₄:G_T→G,再產生系統參數params：

params＝(G,G_T,q,e,g,h,A,H₁,H₂,H₃,H₄) (1)

對于執法機構LEA運行函數，產生的私人密鑰并預先將安全地傳輸至每個任意車輛向執法機構LEA注冊，并獲取一個假名PID_k，同時，執法機構LEA存儲車輛的ID號ID_k與其假名PID_k的關聯信息Link_k＝En_LEA(ID_k,PID_k),其中En_LEA表示執法機構LEA利用自己的密鑰對關聯信息進行加密的函數；

然后，再利用車輛的別名PID_k產生車輛的私密鑰

式中：執法機構LEA先給車輛分配一個密鑰，后期，車輛將與自己行為相似的車輛交換假名；

假定車輛所選擇的熱點區域集為車輛給每個sRSU_j∈SR_k分配重密鑰

最后，車輛就將重密鑰和熱點區域RSUs清單RSM_k＝{PID_k,SR_k,RK_k}傳輸至TIC，其中為了防止車輛身份信息的泄露，式(3)利用車輛的假名PID_k產生重密鑰；

S4：軌跡共享：車輛向TIC傳輸的軌跡信息包含車輛當前使用的假名，車輛位置，速度和所在道路，令trj_k＝PID_k,x_k,υ_k,Road_k表示車輛的軌跡，其中x_k表示車輛的位置矢量；υ_k表示車輛的行駛速度；Road_k表示車輛當前所在道路名，通過預先下載的數字地圖，車輛可獲取當前所在道路信息，車輛先利用自己的ID號對軌跡數據trj_k進行加密，再傳輸至TIC，驗證通過后，TIC就解密獲取軌跡數據；然后，TIC就對軌跡數據進行加密，并傳輸至車輛所關聯的熱點區域內的sRSU；

S5：消息傳輸：一旦sRSU_j獲取了車輛的軌跡數據trj_k，sRSU_j就向車輛提供位置服務消息，假定sRSU_j提供的位置服務消息為msg，RSU_t為最優接入點，sRSU_j為了保證消息傳輸的安全以及將車輛所需的位置服務消息準確地傳輸至車輛而不是其他車輛，對消息進行加密，并且對車輛的身份進行確認，具體過程如下：

首先，由sRSU_j先構建消息msg，再進行加密，先計算參數然后再計算密鑰K₁＝KDF(k|1)和K₂＝KDF(k|2)，其中KDF表示密鑰衍生函數，最后構建消息其中

然后，sRSU_j將消息M轉發至RSU_t，一旦接收消息M，RSU_t就暫存儲消息M，直到車輛從消息M中提取了價值服務消息msg，當車輛行駛至RSU_t的覆蓋范圍時，RSU_t就向車輛傳輸車輛接收消息M后，車輛先計算然后，再推導出K₁＝KDF(k|1)，K₂＝KDF(k|2)，

最后，驗證與是否相等，如果相等，則表明驗證通過，那車輛就解密最終獲取價值消息

S6：基于車輛行為相似的假名交換機制：

基于車輛運動軌跡，計算車輛自身位置、速度、加速度以及相鄰車輛位置、速度、加速度的群體運動信息，令x_i(t)、υ_i(t)、α_i(t)分別表示車輛在時刻t的位置、速度和加速度，類似地，用x_j(t)、υ_j(t)、α_j(t)分別表示車輛的鄰居車輛在時刻t的位置、速度和加速度，利用余弦相似性計算車輛與鄰居車輛的行為相似性：

式中：為兩個矢量，若則說明與兩個矢量完全相似或者相同，

若且λ是非常小的數時，則說明這兩個矢量很相似，因此，利用式(5)，可計算車輛與車輛間位置、速度和加速度三方面的相似性，當車輛與車輛在位置、速度和加速度三方面的相似率之和s_i,j大于閾值，就認為這兩輛車的行為相似，滿足交換假名的條件，行為相似的車輛間交換假名，降低了被跟蹤的概率，進而實現位置隱私保護，

式中：和分別表示車輛與車輛在位置、速度和加速度三方面的相似率，而ω₁、ω₂、ω₃為權重系數，

當車輛需要交換假名，它就從鄰居車輛中搜索與自己行為相似的車輛，將滿足行為相似的車輛納入行為相似車輛集ψ_{sim_beh}(k)：

式中：s_th為行為相似閾值；集ψ_{sim_beh}(k)內車輛數越多，表明與車輛行為相似的車輛越多，車輛位置被泛化的空間越大，因此，將Num＝|ψ_{sim_beh}(k)|定義為車輛的匿名空間，Num值越大，匿名效果越好，位置隱私保護的性能越優，

當車輛需要更換假名，它就向執法機構LEA發送假名更換請求Req，并利用執法機構LEA公鑰對請求消息加密，并進行簽名，收到請求Req后，執法機構LEA就利用自己私鑰對請求Req解密，提取消息內容，再驗證簽名，核實兩個交換車輛是否為已注冊車輛，若通過驗證，執法機構LEA就通知車輛采用新的假名PID_i，同時也通知車輛它的假名為PID_k；

所述執法機構LEA用于，

接收來自車輛注冊，通過審核通過，就給車輛頒發數字證書和假名；

監視車輛行為，當發生糾紛時，執法機構LEA負責跟蹤相關車輛，在必要的時候，取消車輛的數字證書和假名；

用于給RSU分配基于身份的密鑰；

所述交通信息中心用于，

收集交通信息，即承擔信息收集的功能；

收集車輛的軌跡數據，并向車輛允許的服務熱點sRSU轉發軌跡數據；

所述RSU接收TIC傳輸的車輛軌跡數據，并向相關的車輛傳輸消息，進而給向車輛提供位置服務，系統共有m個已注冊的RSUs，這些注冊的RSUs構成RSUs集其中l個RSUs位于熱點區域，將位于熱點區域的RSUs表示為sRSU，且這l個sRSU形成熱點區域RSU集所述系統內有n輛車，每輛車下載了數字地圖，令sRSU_k表示車輛選擇的熱點RSU，且k＝1,2,…,n。