車聯網中光學加密的運用
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本文作者：袁科1,2段俊陽1張尚昂3黃貽望1作者單位：1.銅仁學院物理與電子科學系2.南開大學信息技術科學學院3.北京市海淀區5102信箱
0引言
車聯網是指裝載在車輛上的電子標簽通過無線射頻等識別技術，實現在信息網絡平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態信息進行提取和有效利用，并根據不同的功能需求對所有車輛的運行狀態進行有效的監管和提供綜合服務。采用傳統加密技術，車聯網讀寫器和標簽及其之間的通信過程存在安全性和高效性的矛盾問題，利用光學密碼技術可以很好的解決這一矛盾問題。
1車聯網讀寫器和標簽安全問題
車聯網系統中，針對標簽的攻擊有：克隆攻擊、欺騙攻擊、非授權訪問、拒絕服務攻擊、破壞標簽攻擊等。針對讀寫器的攻擊有：物理攻擊、假冒攻擊、修改配置文件攻擊等。針對標簽和讀寫器之間通信的攻擊有：竊聽攻擊、重放攻擊、篡改攻擊、干擾或破壞正常通信攻擊等。車聯網系統中，針對標簽、讀寫器及其之間通信的主要攻擊，產生原因主要基于以下兩點。(1)標簽計算能力弱。RFID標簽供電能力和存儲空間極其有限，較難具備足夠安全計算能力以抵抗讀取、篡改、刪除標簽所存數據攻擊。在沒有足夠可信任的安全機制的保護下，標簽的安全性、有效性、完整性、可用性、真實性都得不到保障。(2)無線網絡的脆弱性。標簽層和讀寫器層采用無線射頻信號進行通信，使傳遞的信息暴露于大庭廣眾之下，而無線網絡固有的脆弱性使RFID系統很容易遭受多種形式攻擊。
2光學密碼
基于光學理論與方法的數據加密和信息隱藏技術是近年來在國際上開始起步發展的新一代信息安全理論與技術。光學技術在信息安全領域的最早應用，可以追溯到20世紀七十年代。當時在美國出現了一些光學安全技術專利，主要用于身份驗證、防偽等領域。九十年代以后，計算機硬件、軟件的發展以及Internet的產生將人們帶入信息社會。各行各業對信息技術廣泛應用，自然迫切地需要一種安全、高效的信息加密技術。傳統加密技術主要依靠計算機或數字信號處理器(digitalsignalprocessing,DSP)等電子手段來實現，這些方法受到速度和成本的限制。一些研究人員自然地轉向利用光學或光電方法加密。1995年，BahramJavidi等人提出了雙隨機相位編碼方法，這種方法具有較好的安全性和魯棒性。從此光學密碼進入快速發展時期。與電子手段相比，現有的光學信息安全系統還存在一些缺點，它們往往可實施性較差，靈活性與穩定性都有待提高。
并行數據處理是光學系統固有的能力，如在光學系統中一幅二維圖像的每一個像素都可以同時地被傳播和處理。當進行大量信息處理時，光學系統的并行處理能力明顯占有絕對的優勢，并且，所處理的圖像越復雜，信息量越大，這種優勢就越明顯。同時，光學加密裝置比電子加密裝置具有更多的自由度，信息可以被隱藏在多個自由度空間中。在完成數據加密或信息隱藏的過程中，可以通過計算光的干涉、衍射、成像、全息等過程，對涉及的波長、焦距、振幅、相位、偏振態、空間頻率及光學元件的參數等進行多維編碼。與傳統的基于數學的計算機密碼學相比，光學密碼具有多維密鑰空間、天然的并行性等優勢。
光學密碼還能夠抵抗邊信道攻擊(sidechannelattack,SCA)。邊信道攻擊是指分析計算時間、程序運行故障、電路功率消耗、電磁輻射等泄露出來的信息，獲得芯片內部運算情況，從而破譯密鑰的攻擊方法，分為時間攻擊、故障攻擊、能量攻擊和電磁攻擊等。這些攻擊方法避開了復雜的密碼算法本身，比傳統的數學攻擊方法有效，因此給密碼設備帶來了嚴重的威脅。目前國內外防范邊信道攻擊主要以犧牲效率為代價。而光學密碼實現設備，由于低功耗、低輻射，可以有效抵抗邊信道攻擊。
3光學密碼在車聯網中的應用
光學加密ID標簽有兩部分組成，標識區和信息區。標識區由ROM組成，存儲惟一標識該車輛信息的密文。信息區由RAM組成，存儲車輛所經過讀寫器的地理位置和時間的密文。標識區存儲的標識信息包括車主虹膜信息(增加明文的安全性)+車主身份證號碼(或單位編號)+汽車編號。光學加密標簽可以防止對標簽的篡改和偽造。這樣可以保證某一車輛通過某地時，其身份的真實性。如果不加密，攻擊者可以偽造標簽前往某一限定區域，或者冒充他人車輛身份通過高速公路收費站，從而自己逃避收費，而給被冒充車主造成經濟損失。另外，光學加密標簽可以防止車主地理位置信息泄露。如果標簽不加密，攻擊者可以偽造讀寫器，從而獲取車輛的行程信息，造成車主的隱私泄露，甚至危及其人身安全。信息區存儲車輛路徑信息的目的是防止車聯網信息系統后臺服務器數據庫發生故障或欺詐用戶的行為。比如高速公路收費系統，車輛所經過的高速公路段都記錄于后臺數據庫中，如果數據庫發生故障或被篡改，則可能給用戶造成經濟損失。另外，存儲的是密文，而不是明文的目的是防止用戶篡改信息區內容，從而防止給高速公路收費單位造成經濟損失。光學加密ID標簽不僅可以起到類似傳統密碼的安全保密作用，而且可以在讀寫器端實時完成解密操作。在實時要求高的應用情景下，比如，高速公路不停車收費系統，光學密碼可以取代傳統密碼。
3.2光學密碼讀寫器
光學密碼讀寫器負責讀取光學加密ID標簽中的標識信息，向光學加密ID標簽信息區寫入地理位置(比如收費站名稱)和時間的密文，并將標識信息、地理信息、時間的密文同時上傳至車聯網中間件。
(1)讀取標識信息
用戶購車開戶時，光學加密ID標簽一并辦理，用戶車輛惟一標識信息密文一次性被寫入標簽標識區。當讀寫器讀取到標識信息后，使用光學密碼算法解密標識信息，如果明文滿足規定的格式，則視為真實標簽。
(2)寫入地理、時間信息
讀寫器對于真實標簽，將當前地理位置(收費站即收費站名字)和時間信息，采用光學密碼算法加密，加密后將密文無線寫入光學加密標簽的信息區。讀寫器端加密過程的是實時的，不會造成處理延遲。傳輸過程中，由于信息是加密的，可以防止竊聽。ID標簽在被寫入信息前對讀寫器真實性進行鑒別，確認讀寫器的真實身份后，才允許向信息區寫入信息。
(3)信息上傳
讀寫器將認定的真實標簽的標識信息和地理、時間信息加密后上傳至車聯網中間件，中間件收到這些信息后做如下工作。將標識信息與服務器數據庫做比較，如果相同，則將地理和時間信息存入用戶數據庫對應的存儲區中；如果不同，則通知相應執法人員對相應車輛用戶進行處理。總之，光學加密讀寫器整個工作過程涉及的加解密操作都是基于光學密碼實現的，可以抵抗邊信道攻擊，保障光學密碼讀寫器工作過程中敏感信息處理的安全性和實時性。
4總結
車聯網是目前的一個研究熱點，城市智能交通、高速公路不停車收費系統等等都需要深入研究車聯網。車聯網需要安全性和高效性，但基于傳統密碼技術實現，二者存在矛盾。光學密碼是一種并行密碼算法，可以解決安全性和高效性的矛盾。本文將光學密碼應用于車聯網中，但由于當前光學密碼實現尚存在困難，因此，本文的方案尚處于理論階段，需要深入研究并解決光學密碼實現困難后，方可將論文所提方案付諸實踐。
