Page 458 - 《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 937

私钥, 进而伪造合法用户的签名.
另外, 传输消息的机密性也对 IoV 安全通信起着至关重要的作用. 刘文浩等人 [13] 提出了无双线性对的无证书
签密方案, 来同时满足机密性、完整性、身份认证与不可否认, 并声称该方案在 ROM 下是安全的. 然而, 何德彪 [31]
证明了其方案不能满足类型 I 攻击下的不可伪造, 并强调可以通过修改哈希函数的输入来增强其安全性. Pan 等
人 [14] 提出一种签密方案, 实现消息的机密性与签名的不可伪造性. 该方案的消息由无人机签密后发出, 地面基站
接收并解密, 进而获得发送方的真实身份. 然而, 地面基站是一种资源有限的基础设施, 容易受到攻击而妥协, 一旦
地面基站被攻破, 将会泄露所有消息发送方的真实身份, 并且该方案只支持消息的单向传输. 签密方案的使用能很
好地保证消息的完整性与机密性, 同时提供身份认证与不可否认性, 但其采用非对称机制加密的消息只能由指定
的单一用户解密, 无法与多个用户共享信息. 针对该问题, Cui 等人 [32] 使用一个全局参数来对消息进行加密和解密,
该参数只能由合法用户从可信中心处获取, 并且设计一种签名算法来保证消息来源的可靠性. 该方案结合全局加
密参数和数字签名, 同时保证了消息的机密性与身份认证. 此外, Baee 等人 [33] 提出了一种轻量级的匿名广播消息
认证与加密方案. 该方案采用假名隐式证书进行身份认证, 并利用对称加密技术对消息进行加密, 从而实现高效的
一对多广播消息认证与加密, 提升了信息共享的安全性和身份隐私保护能力.
为了解决传统集中式管理方式的局限性, 一些研究者提出将区块链技术引入分布式密钥获取机制, 以增强系
统的安全性和去中心化特性, 减少对单一信任实体的依赖, 提高密钥管理的安全性和可扩展性. Wang 等人 [19] 提出
了一种基于区块链的无配对运算的 CLS 方案, 用于增强工业 IoT 中传输消息的安全性, 该方案引入基于以太坊的
去中心化智能合约替代传统中心化的 KGC, 有效避免了单点故障以及拒绝服务攻击. 然而, Yang 等人 [20] 证明了

Wang 等人 [19] 的方案是不安全的, 即任何敌手在仅知道系统公开参数而不知道目标私钥的情况下, 能成功伪造出
对于任何消息的合法签名. 此外, Shim [21] 也指出 Wang 等人 [19] 的方案对密钥恢复攻击是不安全的, 即: 敌手能够从
同一用户生成的两个签名来恢复出其对应的私钥. 然后, Shim [21] 设计了新的 CLS 方案来增强安全性, 然而新方案
采用双线性配对运算, 导致较大的计算开销. 导致 Wang 等人 [19] 方案不安全的原因与 Yao 等人 [9] 的类似, 主要在于
没有绑定随机数导致签名算法是确定性算法. 此外, 文献 [19−21] 中的方案均利用智能合约作为 KGC 进行分布式
的密钥生成. 然而, 由于智能合约上的数据具有公开透明的特性, 系统主私钥及生成的部分私钥存在暴露风险. 再
者, 智能合约本身不具备随机数生成能力, 这一限制进一步削弱了其安全性. Yeh 等人 [11] 设计了一种 CLS 方案, 并
将其应用于可穿戴设备进行移动支付场景, 提供交易安全性和不可否认性. 然而, Feng 等人 [34] 指出类型 I 的敌手
可以使用线性方程分析方法伪造签名. 基于此, Feng 等人 [34] 提供了一个改进的 CLS 方案, 并与区块链结合, 设计
了一种面向工业 IoT 的跨域身份认证方法. 该方法支持处于不同域中 IoT 设备之间的跨域去中心化可信认证, 消
除了 IoT 认证解决方案对可信第三方和中心化服务器的依赖, 然而本文并没有给出形式化的安全性证明.
除此之外, 传输消息的可信度也影响着车辆的行驶安全和司机的驾驶体验. 有研究者提出利用信誉系统来保
证 IoV 中传输消息的可信度. Li 等人 [6] 提出了一种基于信誉系统的广播方案. 车辆拥有信誉证书, 并对共享的消息
执行签名, 允许其他车辆评估信息的可信度, 进而更新共享方的信誉值. 此外, 车辆可以根据发送者当前的信誉值
快速确定信息是否可靠, 因为信誉值反映了车辆之前公布可信信息的程度, 也反映了车辆之后可能公布可信信息
的概率. 然而, 该方案将信任证书存储在单一的声誉服务器中, 这种集中式存储方式存在潜在的安全和可用性挑
战. 另外, Yang 等人 [25] 提出了一种利用区块链技术评估数据可信度的信誉系统. 在该系统中, 地理上相邻的车辆组
成一个车辆集群, 集群中的所有成员维护一个区块链并试图达成声誉信息的共识. 基于存储在区块链中的评级, 车
辆可以通过计算发送方的声誉得分来评估消息的可信度. 然而, Li 等人 [6] 和 Yang 等人 [25] 的方案都没有考虑到 IoV
的通信安全问题.
在综述了现有的 CLS 方案、基于区块链的分布式密钥管理、签密技术以及信誉机制在 IoV 安全通信中的应
用后, 可以发现, 尽管已有研究在身份认证、消息完整性和机密性方面取得了一定进展, 但仍然存在以下不足: (1) 部
分 CLS 方案无法有效抵御恶意用户和恶意 KGC 的伪造攻击, 安全性仍有待提升; (2) 智能合约用于分布式密钥管
理时, 可能因其透明性特性导致密钥泄露风险; (3) 现有签密方案通常采用非对称加密, 仅支持单一用户解密, 难以