新兴车联网的安全与隐私保护技术

第1章绪论 万物互联已经成为必然的趋势。作为物联网不可或缺的一部分，车联网在人们的生活中起到越来越重要的作用。作为交通网络中必不可少的一部分，车联网不仅可以通过各种通信技术实现车辆间通信和车辆与路边设备通信，保障交通安全，还能够为用户提供各种娱乐服务，增加了人们的出行乐趣。尽管车联网存在如此巨大的潜能，但其高速变化的网络拓扑、频繁的网络切换以及对时间延迟极其敏感的特点，也给其应用带来了许多困难与挑战。本章首先介绍车联网的研究背景，其次对车联网的国内外研究现状进行简要阐述，然后介绍车联网中的安全问题，*后简要介绍密码学相关背景知识。 1.1车联网背景介绍 随着生活水平的不断提高和科技的进步，人们对交通安全和舒适驾驶的要求越来越迫切。物联网的兴起为满足人们对交通安全和车辆娱乐服务的要求提供了新的解决方案，并由此诞生了车联网的概念。为了使人们的出行更加便利，满足交通行业进一步发展的需要，构建智能化、信息化的交通系统，有关部门更加地重视车联网通信技术的应用。车联网通信技术能够及时地了解到车辆和道路的信息，为规划出行路线提供支持，得到了较为普遍的应用。本节将从车联网的定义、系统架构、关键技术以及应用场景入手，全面介绍车联网的相关背景。 1.1.1车联网的定义 车联网（VANET），即车辆自组织网络，是一种新型的移动通信网络，通过将无线通信技术、传感技术和定位技术相结合，实现车辆间以及车辆与路边设备间的数据交互，进而实现对所有车辆动态信息的提取和有效利用，并根据不同需求对所有车辆进行监管和提供服务[1]。2001年，在“车对车自组织移动通信和网络”应用程序中车联网首次被提及和引入，通过形成车与车之间的通信网络，信息可以在汽车之间中继。车辆通过传感器等车载设备收集运行状态、道路状况等信息并上传到车联网中，车联网通过对上传信息的整理和分析，根据不同的功能需求对车辆进行有效监管并提供各种服务。 车联网通过汽车收集并共享信息，汽车与汽车、汽车与路边基础设施、汽车与城市网络实现互联，从而实现更加智能和安全的驾驶[2]。通过在道路、停车场等场所安装无线识别系统，在所有车辆上安装唯一的电子标签，可以将所有的汽车信息传输至信息平台，由于车联网是交互式的，城市的交通管理中心可以通过它疏导交通，车主可以通过它了解实时路况、停车场停车情况等信息，并减少交通事故的发生。即使发生了交通事故，也可以在**时间内将信息传输至服务平台，经过服务平台的分析、判断，然后向*近的救援中心发出求救信息，救援中心便会赶赴事故现场。 车联网的网络架构自上而下可以分为四部分：应用层、业务层、网络层和感知层[3]。应用层主要是根据用户的要求为用户提供不同的应用服务，例如，车辆可以通过互联网接入服务平台，获取交通信息、生活娱乐等服务；业务层主要是负责对数据的管理和维护，为应用服务智能化地处理和分析数据；网络层主要是提供数据传输服务，保障数据传输的安全性；感知层由各种类型的传感器组成，作为车辆和车联网的接口。一方面，感知层将传感器收集的信息进行整合并通过网络层上传到业务层；另一方面，感知层接收系统下发的控制指令并传递给车辆，进而实现对车辆的控制。 如表1-1所示，与一般的通信网络相比，车联网主要有如下特点。 （1）车联网中的网络节点主要是由车辆组成的，其移动速度快，拓扑结构变化频繁，因此，车联网对信息处理的效率要求极高[4]。 （2）充足的能源和良好的无线通信能力，使得车联网中的车辆节点和路边节点一般都具有强大的计算能力和存储能力；同时，节点也具有比较富裕的外部辅助信息。随着GPS的发展与普及，车联网中的节点不仅可以获得自身的位置信息，还可以获得所在区域的位置信息和实时动向。 （3）车联网中节点间的通信受到的干扰因素比一般网络要多，如天气状况、道路交通、周边的建筑物等，因此车联网的通信质量和网络连通性并不稳定。 （4）由于其特殊的应用环境，车联网对网络的安全性和可靠性的要求更高，因为一旦车联网中出现恶意消息，极有可能会导致交通堵塞，甚至造成交通事故的发生[5]。 表1-1车联网的主要特点 1.1.2车联网的系统架构 车联网的组成结构主要包括三部分，即车载单元（onboardunit，OBU）、路边单元（roadsideunit，RSU）和可信机构（trustedauthority，TA）。 OBU装备在车辆中，周期性地发送交通相关信息，旨在提升道路交通环境、道路安全，可接收来自TA的增值服务[6]。RSU是分布在路边的固定设备，是车载单元和管理中心之间的桥梁，可认证其辖区车辆的消息，同时还负责收集辖区内交通信息和播报必要的交通信息。TA在车联网中充当可信管理中心的角色，它作为RSU和OBU的注册和认证中心，同时也为车辆提供各种增值服务。此外，RSU也可以向交通控制中心发送有关交通状况的信息。交通控制中心可以根据收到的信息，及时采取措施（如调整交通信号灯等），从而提高交通安全性和效率[7，8]。 车联网模型分为上下两层，上层是基础设施环境，下层是自组织环境。在基础设施环境中，不同的实体可以相互连接。这些实体包括：制造商、可信第三方（trustedthirdparty，TTP）、法律机构和云服务提供商（cloudserviceprovider，CSP）。制造商可以负责生成车辆的唯一ID，而法律机构负责车辆登记和违法行为报告。TTP和CSP都在车联网环境中提供不同的服务，如凭证管理和数据下载等[9]。 在自组织环境中，车联网中的通信方式主要有两种：车辆与车辆的通信和车辆与路边设施的通信。车辆与车辆的通信是指车辆间通过车载单元进行信息交互，使得车辆可以及时获取周边车辆的车速、位置、方向等行驶信息，避免交通事故的发生。车辆与路边设施的通信是指车辆与路边设施，如交通摄像头、路边单元等进行无线通信，由此，车辆能够获取附近区域内车辆发布的交通信息。 车辆与车辆间、车辆与基础设施之间通信采用的无线通信协议，目前应用*多的是专用短程通信（dedicatedshortrangecommunication，DSRC）协议[10]。根据DSRC协议，车辆根据应用安全要求选择一个合理周期，周期性地发送交通安全相关消息（DSRC中命名为beacon或者BSM），其中道路交通状况消息包括天气状况、道路缺陷、拥堵情况等，车辆状况消息包括位置、速度、转向角等。根据所使用的接入技术，基础设施和自组织环境之间的连接会有所不同。例如，如果接入技术是DSRC，则通过RSU进行连接，或者通过接入5G基站进行连接[11]。 1.1.3车联网的关键技术 为了解决交通的安全与高效问题，配备了无线互联接口装置的车辆与车辆之间需要在一个暂时的、快速变化的Adhoc网络中进行数据的交换；此外，这些车辆还应能访问路边的网络固定设施，以便满足多方面的数据共享与通信需求。应用需求决定了车联网不仅要包括以车辆为节点的无线自组网，而且要包括车辆为移动节点与路边设施互联的无线移动网。因此，车联网通信包括车辆之间的通信和车辆与路边固定设施之间的通信。 车联网中所依赖的关键技术主要如下。 （1）射频识别（radiofrequencyidentification，RFID）技术：是一种非接触式的自动识别技术，它可以通过射频信号自动识别目标对象并获取相关的数据。RFID是一种简单的无线系统，由阅读器和电子标签两个基本器件组成，可用于控制、检测和跟踪物体。目前该技术已经应用到生活的很多领域中，如景区管理、停车场和管道监测等。RFID具有同时识别多个高速运动物体、读写距离远、数据存储量大、系统体积小、安全性好、安装简便、环境要求低等特点，因此可以把RFID应用到车联网当中，可以轻松实现车联网中各节点对监测点的感知功能[12，13]。 （2）异构无线网络的融合：车联网将有多种不同的无线通信技术并存，包括WLAN（如IEEE802.11a/b/g/n/p协议）、WIMAX（IEEE802.16a/e）、超宽带通信UWB（IEEE802.15.3a）、2G/3G/4G/5G蜂窝通信、LTE以及卫星通信等网络。不同的网络有不同的通信方式和特点，适用于不同的场景。为了达到信息共享的目的，车联网中的很多信息需要在不同的网络中传递。另外，车辆作为一个移动单元，在移动过程中将发生水平切换和垂直切换，也需要进行移动性管理。因此，需要在车联网环境下考虑异构无线网络的融合，实现无缝的信息交换[14，15]。 （3）云计算技术：可以通过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个小的程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统，经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户，这样的大规模分布式计算技术即称为云计算技术。在车联网中，通过汽车采集到的数据十分庞大，便可以通过云计算技术对数据进行处理，然后在数秒之内回传给用户，满足使用者对响应时间和信息种类的要求。 （4）边缘计算技术：边缘计算技术可以在靠近物或者数据源头的一端，就近提供*近端服务。边缘计算与云计算的*大区别在于，用户端在边缘计算中同时兼具数据生产者与消费者的角色，而在云计算中只具有数据消费者的角色。边缘计算思想可以有效地提高计算与传输效率。 （5）智能化信息处理：车联网不仅涉及众多的节点，而且可能存在各种各样的业务在并发运行，因此车联网需要考虑云计算或并行处理提高运算能力。车联网所收集到的交通信息量将非常大，如果不对这些数据进行有效处理和利用，就会迅速被信息所湮没。因此需要采用数据挖掘、人工智能等方式提取有效信息，同时过滤掉无用信息。 （6）卫星定位导航技术：卫星定位导航系统具有全天候、高精度、自动化、实时性等特点，用户只需要一个终端，便可以实现定位和导航的目的。因此在车联网中，卫星定位导航系统可以为用户提供电子地图，实现定位和导航，是不可或缺的部分。 1.1.4车联网的应用场景 随着移动互联网技术的快速发展，车联网技术被广泛地应用，从简单的单跳信息传播如合作感知消息，到多跳信息传播使得信息能够跨越很远的距离。车联网*大的价值在于处理信息，而且能够以*有效的方式解决交通拥堵问题。据预测，车联网的应用可以使交通拥堵减少约60%，使短途运输效率提高将近70%，使现有道路网的能力提高2～3倍。除了提高效率，减少成本之外，车联网能够实现对整个公众资源的有效利用，政府也可以大幅度减少管理费用。车联网不仅可以保证交通安全，还可以为车主提供丰富的娱乐服务[12，13]。下面介绍车联网主要应用。 （1）电子制动灯：通过周期性发送（100～300ms作为一个周期）包含车辆制动信息的消息，处于视线盲区的周边车辆也可以获取到制动信息，用于路口预警，从而使交通出行更安全。 （2）队列驾驶：指利用汽车与汽车直接通信的方式来控制汽车的协调驾驶，通过接收车辆发送的包括加速度、速度、转向度等信息，一个车队的车辆能够保持有规律的队列，从而可以提升交通运行效率、降低能耗。 （3）道路交通紧急服务：通过车联网，道路安全警告和状态信息的传播可以减少紧急救援行动的延误，增加成功挽救事故受伤者生命的概率。 （4）智能交通：车联网可以通过对路况进行监控，从而实现道路信息提前预警，减少交通堵塞，实现智能化交通管理。通过车联网提前告知车主，建议车主做出及时、恰当的驾驶行为，这有助于提升车主的注意力，保持合适的车速及车距，提高驾驶的安全性。 （5）无人驾驶技术：随着智慧城市基础设施的发展与完善，通过路边基础设施的集中控制，实现区域内车辆的全自动驾驶，从而提高道路交通效率和车辆行驶的安全性。 （6）用户通信及多功能娱乐应用：让乘客享受娱乐，即使用各种基于无线网络的业务。典型的应用是下载音乐、电影以及游戏等。例如，在堵车的情况下，车