Page 456 - 《软件学报》2026年第2期

毕昌兵 等: 5G 车联网中基于区块链的半分布式消息认证加密方案 935

addition, wireless communication faces risks such as message interception, tampering, and network disruption due to a large number of
untrustworthy false messages. To address these issues, this study proposes a blockchain-based semi-distributed message authentication and
encryption scheme. First, a semi-distributed key generation and distributed information-sharing framework based on a consortium
blockchain is designed. The 5G base stations provide full network coverage, while regional vehicle management centers act as full nodes
to maintain the blockchain’s proper operation, and vehicles, as lightweight nodes, can only view the information stored on the blockchain.
Second, to ensure message source authentication and confidentiality, a certificateless signature algorithm without bilinear pairing is
designed, and an inverse hash chain is employed to generate reputation tokens for message encryption and decryption. To address the
problem of untrustworthy false messages, a reputation-based system is introduced, where disseminating false messages leads to a decline in
the vehicle’s reputation value. This mechanism helps to constrain vehicle behavior and reduces the number of false messages at the source.
Finally, security analysis and experimental results demonstrate that the proposed scheme ensures communication security, effectively
mitigates single-point failure risks through semi-distributed key acquisition, and prevents tampering, replay, and impersonation attacks.
Moreover, the proposed scheme incurs low computational and communication overhead, meets the real-time requirements of IoV, and
incurs low Gas costs for executing reputation update contracts, further demonstrating the practicality and feasibility of the proposed
scheme.
Key words: semi-distributed authentication; certificateless signature; blockchain; smart contract; Internet of vehicles (IoV)
车联网 (Internet of vehicles, IoV) 是车辆与互联网技术相结合的一种应用, 可以实现车辆之间、车辆与基础设
施的连接和信息交互共享. 在 IoV 中, 通信方式可以分类为车辆到车辆 (vehicular to vehicular, V2V) 和车辆到基础
[1]
设施 (vehicular to infrastructure, V2I) . 在 V2V 通信方式中, 车辆与相邻车辆共享交通相关信息, 例如道路堵塞情
况、交通事故或转向意图等 [2] ; 在 V2I 通信方式中, 可信机构通过图形用户界面可以与车辆共享道路相关信息, 使
驾驶员能够提前做出合理的决定. 然而, 由于 IoV 中车辆数量巨多, 频繁的通信为网络带宽带来了挑战, 而第 5 代
移动通信技术 (5th generation mobile communication technology, 5G) 的出现, 为移动互联网创造了巨大的机会, 特
[3]
别是 IoV . 5G 可提供高达 20 Gb/s 的数据传输速率, 具有高速率、低时延、广覆盖、支持设备到设备通信的优
点, 可以满足 IoV 中及时通信的需求 [4] .
IoV 与 5G 的结合将成为现代通信时代重要的一部分, 它能够提供快速、可靠的超低延迟信息传输. 然而, 信
息在开放的无线网络环境中传输易受到各种攻击, 因此需要提供强有力的安全防护措施. 目前, 在 IoV 中仍然存在
如下挑战: (1) 消息以明文的形式在无线网络中传输, 这使得非法用户可以拦截消息, 并对消息进行篡改、重放或
者窃取其中的隐私信息; (2) 由于车辆数量的剧增, 采用传统的单一可信第三方中心式管理, 容易出现单点故障问
题; (3) 网络中充斥着大量虚假消息, 这些消息通常由熟悉网络配置细节的合法但有恶意意图的用户发送 [5] , 例如:
尽管某些车辆在身份上是合法的, 但若存在不诚实行为, 如发布虚假消息, 可能导致网络拥塞或误导其他车辆的行
驶路线. 这类不可信的消息可能引发一系列严重后果, 包括旅程延误、交通事故 [6] , 甚至可能造成现实世界中的财
产损失乃至人员伤亡.
针对上述挑战 (1), 对传输的消息进行数字签名并加密能保证消息的完整性、身份认证和机密性. 目前, 数字
签名主要分为传统公钥密码 (public-key infrastructure, PKI)、基于身份的公钥密码 (identity-based cryptography,
IBC) 和基于无证书的公钥密码 (certificateless cryptography, CLC) 这 3 类, 其中 CLC 能有效地解决 PKI 中的证书
管理问题和 IBC 中的密钥托管问题, 具有极高的安全性、实用性和研究价值 [7−10] . 然而, 许多 CLC 方案使用双线
性配对运算, 这就在一定程度上增加了方案的计算负载 [11] , IoV 中车载单元的计算和存储能力低的特性使得上述
构造并不能很好地在 IoV 中部署 [12] . 此外, 为了兼顾消息的机密性, 有研究者提出签密方案 [13,14] , 即在一个逻辑步
骤内同时完成签名和加密. 数字签密方案的使用能很好地保证消息的机密性与身份认证, 但采用非对称机制加密
的消息只能由指定的单一用户解密, 无法加密需要与多个用户共享的广播消息. 在 IoV 中, 同一消息 (如道路通畅
情况) 需要发送给多个车辆, 若使用数字签密, 发送给不同的车辆的相同消息都需要重新执行一次签密, 这将造成
极大的计算开销, 故此类签密方案并不适用于 IoV 环境信息广播共享; 其次, 针对上述挑战 (2), 去中心化的区块链
可以帮助我们解决这个问题. 区块链被定义为分布式、共享和防篡改的分类账本, 利用区块链代替传统的单一可
信第三方, 可以实现分布式管理系统 [15−18] , 以及解决单点故障问题. 区块链技术的引入为 IoV 管理提供了一种新