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专利号: 2023104206500
申请人: 合肥工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种用于车内安全通信的系统,其特征在于,系统包括各个ECU和量子服务终端;所述量子服务终端包括:身份认证模块、密钥管理模块、量子随机数发生器、消息处理模块;

所述身份认证模块分别与各个ECU相连接,用于对各个ECU进行身份认证;所述身份认证模块中存储有各个ECU的真名ID即RID、各个ECU的假名ID即FID、各个ECU的FID与RID之间的映射关系;

所述密钥管理模块用于存储并管理ECU之间进行通信的会话密钥A;

所述量子随机数发生器用于产生量子随机数;所述量子随机数发生器与密钥管理模块相连接,向密钥管理模块提供量子随机数;所述密钥管理模块利用量子随机数生成会话密钥A;

所述消息处理模块分别与各个ECU相连接,用于接收并转发ECU之间的通信消息;

各个ECU内部均存储有各自的RID和FID;

所述身份认证模块对ECU进行身份认证的具体方式为:

ECU向身份认证模块发送认证报文,认证报文中包括:ECU的FID;

身份认证模块接收ECU的认证报文后,对认证报文中的FID进行验证,验证方式为:查询身份认证模块中是否存储有与认证报文中的FID相对应的该ECU的RID,若有,则表示认证报文中的FID验证通过,即ECU身份认证通过;否则,表示认证报文中的FID验证不通过,即ECU身份认证不通过;

所述认证报文中还包括:ECU的RID与认证报文的发送时间戳tf进行哈希运算后的哈希值Hf;

身份认证模块接收ECU的认证报文后,还对认证报文中的哈希值Hf进行验证,验证方式为:根据认证报文中的FID获取该ECU的RID,将所获取的该ECU的RID与认证报文的接收时间戳tj进行哈希运算后得到哈希值Hj,将哈希运算后得到的哈希值Hj与认证报文中的哈希值Hf进行比较,若Hj=Hf,则表示认证报文中的哈希值Hf验证通过;否则,表示认证报文中的哈希值Hf验证不通过;

若认证报文中的FID和哈希值Hf均验证通过,则表示ECU身份认证通过;否则表示ECU身份认证通过;

针对一个ECU,ECU的RID与FID之间为一对多的映射关系,即一个RID与多个FID相对应,但一个FID仅与一个RID相对应。

2.根据权利要求1所述的一种用于车内安全通信的系统,其特征在于,ECU1与ECU2建立通信连接并发送通信消息给ECU2的具体方式为:ECU1通过身份认证模块进行身份认证,ECU1的身份认证通过后,身份认证模块向ECU1发送会话密钥A;其中,会话密钥A由密钥管理模块存储管理并发送给身份认证模块;

ECU1获得会话密钥A后,利用会话密钥A对报文进行加密生成通信消息,并将通信消息发送给消息处理模块;消息处理模块将ECU1的通信消息转发给ECU2;

ECU2通过身份认证模块进行身份认证,ECU2的身份认证通过后,身份认证模块向ECU2发送会话密钥A;

ECU2获得会话密钥A后,接收消息处理模块所转发的ECU1的通信消息,并利用会话密钥A对通信消息进行解密,得到ECU1的报文。

3.根据权利要求1所述的一种用于车内安全通信的系统,其特征在于,所述量子随机数发生器还与身份认证模块相连接,向身份认证模块提供量子随机数,身份认证模块利用量子随机数分别为各个ECU生成各自的FID,并对应的发送给各个ECU;

车辆在出厂时,通过对车辆中的各个ECU进行身份注册,使各个ECU拥有各自的RID,并将各个ECU的RID发送给身份认证模块。

4.根据权利要求1所述的一种用于车内安全通信的系统,其特征在于,所述身份认证模块内部还设有计数器,用于对通信双方的认证次数进行计数;所述身份认证模块还与消息处理模块相连接,消息处理模块获取身份认证模块内部的计数器值;

其中,通信双方在进行身份认证之前,身份认证模块内部的计数器值初始为0。

5.适用于权利要求4所述的一种用于车内安全通信的系统的方法,其特征在于,ECU1与ECU2建立通信连接并发送通信消息给ECU2,具体包括以下步骤:S1,ECU1向身份认证模块发送认证报文X1;

认证报文X1中包括:认证次数,ECU1的FID,ECU1的RID与认证报文X1的发送时间戳tf1进行哈希运算后的哈希值Hf1;其中,认证报文X1中的认证次数为0;

S2,身份认证模块接收ECU1的认证报文X1,并根据认证报文X1对ECU1进行身份认证,具体如下所示:S21,身份认证模块提取认证报文X1中的认证次数和FID,并对ECU1进行第一次身份认证:若认证报文X1中的认证次数和身份认证模块内部的计数器值均为0,且身份认证模块中存在与认证报文X1中的FID相对应的ECU1的RID,则ECU1的第一次身份认证通过,将身份认证模块内部的计数器值置为1;否则表示ECU1的身份认证不通过,ECU1与ECU2通信失败;

S22,身份认证模块提取认证报文X1中的哈希值Hf1,并对ECU1进行第二次身份认证:身份认证模块根据认证报文X1中的FID获取ECU1的RID后,将ECU1的RID与认证报文X1的接收时间戳tj1进行哈希运算得到哈希值Hj1;

若Hj1=Hf1,则表示ECU1的第二次身份认证通过,即ECU1的身份认证通过,将身份认证模块内部的计数器值置为2;否则表示ECU1的身份认证不通过,ECU1与ECU2通信失败;

S3,身份认证模块向ECU1发送认证报文X2;

认证报文X2中包括:认证次数,会话密钥A;其中,认证报文X2中的认证次数等于身份认证模块内部的计数器值,即为2;会话密钥A是密钥管理模块利用量子随机数生成的,由密钥管理模块存储管理并发送给身份认证模块;

S4,ECU1接收认证报文X2后,判断认证报文X2中的认证次数是否为2,

若认证报文X2中的认证次数为2,则表示ECU1的身份认证通过,然后提取认证报文X2中的会话密钥A,ECU1利用会话密钥A对报文进行加密,生成加密后的报文即生成通信消息,最后ECU1将通信消息发送给消息处理模块;

若认证报文X2中的认证次数不为2,则表示ECU1的身份认证不通过,ECU1与ECU2通信失败;

S5,消息处理模块接收到ECU1的通信消息时,先验证身份认证模块内部的计数器值是否为2;

若身份认证模块内部的计数器值为2,则表示ECU1的身份认证通过,消息处理模块接收ECU1的通信消息并进行临时存放,待消息处理模块将ECU1发送的通信消息接收完后,将身份认证模块内部的计数器值置为3,同时消息处理模块向ECU2发送请求转发报文;

若身份认证模块内部的计数器值不为2,则表示ECU1的身份认证不通过,ECU1与ECU2通信失败;

S6,ECU2接收到消息处理模块的请求转发报文后,ECU2向身份认证模块发送认证报文X3;

认证报文X3中包括:认证次数,ECU2的FID,ECU2的RID与认证报文X3的发送时间戳tf2进行哈希运算后的哈希值Hf2;其中,认证报文X3中的认证次数为3;

S7,身份认证模块接收ECU2的认证报文X3,并根据认证报文X3对ECU2进行身份认证,具体如下所示:S71,身份认证模块提取认证报文X3中的认证次数和FID,并对ECU2进行第一次身份认证:若认证报文X3中的认证次数和身份认证模块内部的计数器值均为3,且身份认证模块中存在与认证报文X3中的FID相对应的ECU2的RID,则表示ECU2的第一次身份认证通过,将身份认证模块内部的计数器值置为4;否则表示ECU2的身份认证不通过,ECU1与ECU2通信失败;

S72,身份认证模块提取认证报文X3中的哈希值Hf2,并对ECU2进行第二次身份认证:身份认证模块根据认证报文X3中的FID获取ECU2的RID后,将ECU2的RID与认证报文X3的接收时间戳tj2进行哈希运算得到哈希值Hj2;

若Hj2=Hf2,则表示ECU2的第二次身份认证通过,即ECU2的身份认证通过,将身份认证模块内部的计数器值置为5;否则表示ECU2的身份认证不通过,ECU1与ECU2通信失败;

S8,身份认证模块向ECU2发送认证报文X4;认证报文X4中包括:认证次数,会话密钥A;

其中,认证报文X4中的认证次数等于身份认证模块内部的计数器值,即为5;会话密钥A由密钥管理模块存储管理并发送给身份认证模块;

S9,身份认证模块将认证报文X4发送给ECU2后,消息处理模块验证身份认证模块内部的计数器值是否为5,若为5,则消息处理模块将临时存放的ECU1的通信消息转发给ECU2,待ECU1的通信消息转发完后,将身份认证模块内部的计数器值置为0;若不为5,则消息处理模块不将ECU1的通信消息转发给ECU2,ECU1与ECU2通信失败;

S10,ECU2接收认证报文X4后,判断认证报文X4中的认证次数是否为5,若认证报文X4中的认证次数为5,则表示ECU2的身份认证通过,然后提取认证报文X4中的会话密钥A,并接收消息处理模所转发的ECU1的通信消息,利用会话密钥A对ECU1的通信消息进行解密,得到ECU1的报文;

若认证报文X2中的认证次数不为5,则表示ECU2的身份认证不通过,ECU1与ECU2通信失败。

6.根据权利要求5所述的一种用于车内安全通信的系统的方法,其特征在于,步骤S3/S8中,认证报文X2/认证报文X4中的会话密钥A以加密的形式进行传输,具体方式为:先利用加密密钥B对会话密钥A进行加密,得到加密后的会话密钥B(A);然后将加密密钥B和加密后的会话密钥B(A)放在认证报文X2/认证报文X4中,并发送给ECU1/ECU2;

步骤S4/S10中,ECU1/ECU2提取认证报文X2/认证报文X4中的加密密钥B和加密后的会话密钥B(A),然后利用加密密钥B对加密后的会话密钥B(A)进行解密,最终得到会话密钥A;

所述加密密钥B也是密钥管理模块利用量子随机数生成的,由密钥管理模块存储管理并发送给身份认证模块。

7.根据权利要求5所述的一种用于车内安全通信的系统的方法,其特征在于,步骤S8中,待消息处理模块将ECU1的通信消息转发完后,对密钥管理模块中的会话密钥A进行标记;后续密钥管理模块在进行更新管理时,对被标记的会话密钥A进行销毁。