本文主要是介绍A Semi-Centralized Dynamic Key Management Framework for In-Vehicle Networks 论文报告，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
一、论文信息
标题：A Semi-Centralized Dynamic Key Management Framework for In-Vehicle Networks
作者：Ivan E.Carvajal-Roca, Jian Wang, Jun DU, Shuangqing Wei
单位：Tsinghua University
会议：IEEE TANSCATIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY
二、相关背景
2.1 车内ECU网络结构
车辆由各种ECU组成，目前的汽车系统大约有30到100个ECU，在未来的电动汽车中，这个数字还在增加。所有ECU通过CAN总线连接。这款车能够与智能手机、平板电脑或其他信息娱乐设备等外部设备进行通信。SM充当车内ECU的关键管理器。ECU的制造由原始设备制造商OEM负责，由MC管理和监督。此外，有一个车间可以直接接触车辆进行维护和更新。它还可以与原始设备制造商沟通，以获取ECU的信息和车辆备件。由于一个ECU对一组ECU进行广播通信，车内系统被划分为不同的子系统。
2.2 安全需求分析
| 序号 | 需求 |
|---|---|
| 1 | 车载网络通过一个具有发布-订阅通信模型的控制器区域网络(CAN)总线使用广播通信 |
| 2 | 由于车辆生产和维修的复杂性，安全机制需要考虑车辆和ECU维修的生命周期 |
| 3 | 可靠性、可用性和安全性是保证车辆正确运行的必要条件。安全框架需要保证其正常运行，并能够实时响应 |
2.3 其他人的工作
目前存在的问题：
- 缺少SM和ECU的双向认证
- SM密钥分发模块的单点失效
- 很大程度上依赖于第三方（数字证书）
- 没有考虑到组件的生产过程
三、威胁模型
| 方面 | 详细方法 |
|---|---|
| 对手可以访问信道 | 通过受损ECU或其他通信接口如OBD、信息娱乐设备 |
| 不会破坏加密原语 | 标准加密原语被证明是正确的 |
| 无法获得存储在硬件上的数据 | 硬件是抗篡改的 |
| 不考虑DoS攻击 | 可以通过入侵检测识别，本文不考虑 |
四、框架结构
IBE：Identity-Based Encryption，基于身份的加密，通过使用每个ECU的身份作为其公钥来简化密钥生成。因此，IBE改进了密钥分发，消除了对数字证书和外部第三方的依赖。（1984年提出的概念）
IBBE：Identity-Based Broadcast Encryption，基于身份的广播加密，它允许分散密钥生成，其中ECU可以生成并与一组ECU共享会话密钥，而不需要任何集中密钥分发。（2007年提出）
4.1 Centralized ：建立安全通道阶段——注册、认证、初始化
4.1.1 注册
注册阶段是在ECU和SM制造过程中执行的。MC作为IBE的PKG，建立不同OEM生产的每个ECU和SM的参数、密钥和身份。
4.1.2 认证
该阶段在车辆每次开始运行时执行，以验证每个ECU信息。但是，它也可以定期执行或用于ECU的维护。在此阶段，ECU和SM相互验证并建立安全通道以供以后使用。为了提高安全性和防止重放攻击，这个阶段包括时间戳。
- 为了对每个ECU进行身份验证和注册，SM首先通过执行算法 RequestAuthentication()对每个ECU进行身份验证和注册，发送身份验证请求。
- 每个ECU运行算法RespondAuthentication(Reqi)来响应SM的请求，它使用密钥验证SM的信息并向SM发送响应。
- SM运行ConfirmAuthentication (Respi)算法，检查每个ECU的信息，并获得ECU的对称密钥，以便与每个ECU建立安全通道。
- SM使用该密钥对确认消息进行加密，并由ECU运行VerifyConfirmation（Respi）算法进行验证。
4.1.3 初始化
在初始化阶段，SM作为PKG进行广播加密，设置参数，生成每个ECU的私钥，并通过安全通道发送。然后，每个ECU使用这个私钥通过封装一个对称密钥来为一组ECU生成一个会话密钥。在组内的每个ECU收到此会话密钥后，它们就能够与组内的每个ECU建立安全通信。
- SM运行SetupSession(λ，m)算法。输入是安全参数λ和车辆网络内ECU的总数。然后，输出会话参数、主密钥、和公钥。最后，通过安全通道将所有信息发送到每个ECU。
- 每个ECU收到数据并运行ExtractSecrectKey（ssk）算法来验证时间戳并提取会话密钥的设置，然后向SM回复一个确认信息。
4.2 Decentralized： ECU之间进行安全通信阶段——解决单点（SM）失效问题
分散密钥管理基于广播加密，并允许在ecu之间生成共享会话密钥。因此，发送方可以封装一个对称密钥并将其广播给一组ECU。然后，属于这个组的任何接收器都可以解封装这个会话密钥，并在组内安全地通信。
- ECU运行封装Encapsulation（St）算法，封装的会话密钥然后再CAN总线上进行广播。
- 组内其他ECU运行解封算法，得到自己的会话密钥即可通信。
五、实验评估
5.1 在三个硬件平台上进行比较——模拟不同计算力的ECU
| 硬件 | 计算力 | 配对计算时间 |
|---|---|---|
| STM32 | 48MHZ（与目前汽车ECU相仿） | 135ms |
| iMX6 | 396MHZ | 47ms |
| Artix-7 FPGA | 168MHZ（并行计算） | 1.347ms |
5.2 与其他框架的性能比较
模拟器：IVNS simulator, 基于车载网络的ISO/OSI模型，并考虑了诸如CAN总线结构和车载网络拓扑等方面，比较接近真实车辆场景。（由Mundhenk等人提出）
5.2.1 计算时间方面：采用FPGA，计算速度满足车辆的实时性要求
5.2.2 通信负载方面：与LASAN相比通信负载降低96%
六、总结
- 结合了IBE（基于身份的加密技术）和IBBE（基于身份的广播加密技术），提出一种半集中式的密钥分配，用于现代和未来使用基于身份的密码学的车内网络。
- 分散会话密钥生成解决了车辆运行过程中的单点故障问题，隔离了不同的子网，提供了对外部设备的临时访问，并限制了非关键ECU的能力，从而提高了车内网络的安全性、可用性和安全性。
- 动态会话密钥分发提供了更好的灵活性，减轻网络负载，满足了未来汽车和新技术的需求。
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