Page 457 - 《软件学报》2026年第2期

936 软件学报 2026 年第 37 卷第 2 期

思路, 基于区块链分布式账本的去中心化、防篡改、可追溯等优势 [19−21] , 结合智能合约可编程的特性, 采用基于密
码学的认证方案, 可为 IoV 认证提供安全可信的运行环境和管理方案 [22] ; 此外, 针对挑战 (3), 对于合法但不诚实
用户发布不可信的虚假消息现象, 文献 [23] 采用的方法是设置黑名单, 文献 [24] 采用撤销列表, 一旦检测到用户
发布虚假消息或被举报, 就将其拉入黑名单或撤销列表, 禁止其参与后续的通信. 然而, 只参照用户发送的某一条
无用或虚假消息就将该用户评判为不诚实的用户, 并将其列入黑名单或撤销列表, 这显然是不合理的, 因为用户可
能发送了 1 000 条非常有用的消息而只发送了 1 条无用消息, 并且消息的有用程度依赖于接收者的主观意识, 对
A 用户有用的消息可能对 B 用户来说是无用的; 另外, 被恶意用户举报也可能导致诚实用户被错误列入黑名单或
撤销列表. 其实, 若用户不诚实, 在通信时发送毫无价值或不可信的消息, 那么身份认证和数据完整性验证的努力
都将是徒劳的 [25] .
针对 5G 背景下 IoV 中面临的上述挑战, 本文提出了一种基于区块链的半分布式认证加密方案, 以提供半分
布式的密钥获取、分布式的信息共享以及传输消息的安全性保护. 具体而言, 本文的主要贡献概括如下.
(1) 设计了一种适用于 IoV 的基于联盟区块链的半分布式密钥生成框架, 由 5G 基站提供全覆盖的网络, 各区
域的交通管理中心 (vehicle management centre, VMC) 充当联盟链的全节点, 通过共识机制共同维护区块链的正常
运行. 区块链存储各区域的公钥及公开参数, 供车辆公开查询, 确保信息的分布式共享.
(2) 设计了高效的无证书签名算法, 确保了消息认证及完整性保护. 车辆的部分私钥的生成来自本区域的
VMC, 有效缓解单一密钥生成器导致的单点故障风险; 此外, 使用反向哈希链生成并同步信誉票证, 从而实现对消
息的加密传输, 保证通信的安全性.
(3) 为车辆设计了信誉值, 并提供了信誉值更新合约. 信誉值能反映车辆历史诚实度, 车辆的不诚实行为会导
致其信誉值下降, 从而有效约束车辆的不当行为. 此外, 信誉值低于给定阈值的车辆不会获得下一时间段的信誉票
证, 无法参与后续的通信, 进而从源头上减少了 IoV 中虚假消息的数量.
(4) 对所提方案进行了安全性分析和实验评估, 结果表明, 本文的方案能够保证传输消息的完整性、机密性与
身份认证, 防止修改、重放和假冒等攻击, 同时有效制止内部恶意用户发送不可信消息的问题. 此外, 该方案在计
算开销和通信开销方面表现优越, 并且部署的智能合约 Gas 开销较低, 进一步证明该方案具有较高的实用性和可
行性.
1 相关工作

数字签名能确保无线网络实体之间共享消息的完整性、身份认证和不可否认性, 而基于 CLC 的无证书签名
(certificateless signature, CLS) 因其既无需处理 PKI 的证书管理复杂性, 又避免了 IBC 的密钥托管问题, 受到研究
者的广泛关注. CLS 由 Al-Riyami 等人 [26] 在 2003 年的亚洲密码会议 (ASIACRYPT) 上首次提出, 由于密钥由用户
和 KGC 共同生成, 因此主要存在恶意用户 (类型 I) 和恶意 KGC (类型 II) 两种类型的攻击敌手. Yeh 等人 [27] 设计
了一种用于 IoT 的 CLS 方案, 该方案不使用双线性配对运算, 具有较低的计算开销. 然而, Jia 等人 [28] 指出 Yeh 等人 [27]
的方案对两类敌手都无法实现不可伪造, 进而提出了一种改进的方案, 并将其部署于物联网 (Internet of Things,
IoT) 环境. 然而, Du 等人 [29] 提供的证据表明, Jia 等人 [28] 的方案对于类型 I 敌手来说是不安全的. 此外, Xiang 等人 [30]
也证明了 Jia 等人 [28] 的方案很容易遭受恶意 KGC 发起的攻击, 即不能抵御类型 II 的敌手. Du 等人 [29] 和 Xiang 等
人 [30] 提供了两种不同的改进方案. 然而, Ma 等人 [7] 证明了 Du 等人 [29] 和 Xiang 等人 [30] 的方案都不能抵御类型 I 敌
手的伪造攻击, 其原因在于 KGC 生成的密钥和用户生成的密钥彼此独立, 类型 I 敌手可以实行公钥替换攻击.
Genc 等人 [8] 提出了一种面向 IoV 的 CLS 方案, 提供 V2V、V2I 之间的消息认证与完整性保护, 并在随机预言机模
型 (random oracle model, ROM) 下证明其能抵御两种类型的敌手攻击. 然而, Ye 等人 [10] 证明了其无法抵御类型 I
敌手和类型 II 敌手的伪造攻击. Yao 等人 [9] 设计了一种 CLS 方案, 来抵抗广播式自动相关系统的欺骗、篡改和重
放等攻击. 然而, 由于在消息签名阶段没有绑定不重复的随机数, 导致签名算法是确定性的而不是非确定性的, 即:
同一私钥对同一消息多次签名会产生同样的结果. 因此任何敌手都可以从同一用户的两个签名中恢复出该用户的