鄭蘭芳++袁月++陳飛++饒?zhí)鞆?qiáng)

摘 要：車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展在給人們生活帶來方便的同時(shí)，車輛的隱私安全被暴露等問題也日益凸顯?；谏鲜銮闆r，文中擬研發(fā)一套基于車聯(lián)網(wǎng)的位置監(jiān)控系統(tǒng)，包括Android通信App地圖定位，后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)車輛注冊(cè)，用戶管理和車輛監(jiān)控等功能。該系統(tǒng)Android端使用集成4G與802.11p雙網(wǎng)卡的車載單元。通信過程將進(jìn)行加密處理，保障系統(tǒng)的安全性，通過車載設(shè)備、路邊單元、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)與服務(wù)端緊密結(jié)合，為用戶提供更加便捷、安全的定位與監(jiān)控服務(wù)。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng)；802.11p；4G；位置監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）09-00-04

0 引 言

隨著我國步入汽車社會(huì)，與汽車相關(guān)聯(lián)的社會(huì)問題和矛盾也隨之而來，其中汽車與環(huán)境、汽車與道路、汽車與行人、汽車與能源之間的矛盾亦不斷突出。這些現(xiàn)象都表明我國車聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)蘊(yùn)含著極大的發(fā)展空間。與此同時(shí)，國家政府已明確規(guī)定了相關(guān)政策，大力支持車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國家“十三五”規(guī)劃明確提出，將推進(jìn)運(yùn)輸工具、交通基礎(chǔ)設(shè)施等的互聯(lián)網(wǎng)化，加快構(gòu)建車聯(lián)網(wǎng)，推進(jìn)交通智能化。

車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展使得車輛運(yùn)行效率大大提高的同時(shí)，其存在的安全隱患和隱私風(fēng)險(xiǎn)問題也不容忽視。汽車信息數(shù)據(jù)涵蓋汽車去過的地方，行駛的距離和時(shí)間，最近的泊車位置，輸入導(dǎo)航系統(tǒng)的目的地清單等大量相關(guān)汽車診斷數(shù)據(jù)，這些信息的收集、傳輸、存儲(chǔ)以及非法利用等都存在著極大的安全隱患。只有充分考慮保護(hù)信息安全的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用才會(huì)被用戶接受并得到大力推廣。

本文設(shè)計(jì)的基于車聯(lián)網(wǎng)的位置監(jiān)控系統(tǒng)的Android端使用WiFi+4G雙網(wǎng)卡，可同時(shí)通信。通信過程將進(jìn)行加密處理，以保障系統(tǒng)的安全性，通過車載設(shè)備、路邊單元、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)與服務(wù)端的緊密結(jié)合，為用戶提供更加便捷、安全的定位與監(jiān)控服務(wù)。

1 預(yù)備知識(shí)

1.1 車聯(lián)網(wǎng)的概念

車聯(lián)網(wǎng)（VANETs）是由車輛位置、車輛速度和行駛路線等基本信息構(gòu)成的巨大的以車輛為中心的交互網(wǎng)絡(luò)。通過RFID、GPS、傳感器、攝像頭及圖像處理等設(shè)備，車輛能夠完成對(duì)自身環(huán)境和自身狀態(tài)信息的采集工作；通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)中的所有車輛可將其信息傳輸?shù)街醒胩幚砥?；我們可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)分析并處理車輛信息，計(jì)算出系統(tǒng)中不同車輛的最佳路線等問題。本文設(shè)計(jì)的基于車聯(lián)網(wǎng)的位置監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好的對(duì)車輛實(shí)施全程監(jiān)控，確保道路安全。

1.2 雙網(wǎng)卡車載單元介紹

當(dāng)車輛周邊具有路邊單元組網(wǎng)時(shí)，車載單元可通過802.11p協(xié)議與路邊單元通信，通過路邊單元作為信息中轉(zhuǎn)從而與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)完成信息交流；當(dāng)車輛行駛至偏僻路段，即無路邊單元組網(wǎng)時(shí)，車載單元通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站進(jìn)行傳輸，并將信息存儲(chǔ)到服務(wù)器，后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)通過訪問相關(guān)服務(wù)獲取傳輸至服務(wù)器的信息。

隨著車載單元技術(shù)的飛速發(fā)展，用戶對(duì)車載單元的通信功能提出了更高的要求。而現(xiàn)有的車載單元卻無法同時(shí)為用戶提供4G通信和車際用戶通信服務(wù)，無法滿足用戶對(duì)車載單元通信功能的要求。

現(xiàn)有的車載單元基本都采用一體化設(shè)備，在嵌入式開發(fā)板上以控制平臺(tái)為中心集成其他各模塊，形成車載單元。當(dāng)前的車載單元主要分為兩類，一類是使用SIM進(jìn)行4G通信，連接到Internet進(jìn)行交互；另一類是在高速或園區(qū)管理中使用DSRC通信的車載單元進(jìn)行管理，但無法實(shí)現(xiàn)車際通信。由上述描述可知，目前車載單元所使用的通信模塊較為單一，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有限，無法滿足用戶對(duì)于多種通信方式的追求。

4G技術(shù)作為目前已發(fā)展成熟的通信技術(shù)，具有統(tǒng)一的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)且無需進(jìn)行額外的基礎(chǔ)設(shè)施搭建，故采取4G通信模塊用于車輛與應(yīng)用服務(wù)器和管理中心的通信更為便捷。

針對(duì)現(xiàn)有車載單元存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種集成4G與802.11p雙網(wǎng)卡通信的車載單元，以滿足用戶對(duì)車載單元通信功能的相關(guān)要求，為用戶提供4G通信服務(wù)和車際通信服務(wù)。系統(tǒng)采用一種集成4G與802.11p雙網(wǎng)卡的車載單元：4G通信模塊、車際通信網(wǎng)卡和控制平臺(tái)。其中車載單元的計(jì)算控制中心是控制平臺(tái)，控制平臺(tái)用于對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行控制處理以及數(shù)據(jù)處理，控制平臺(tái)包括嵌入式Linux開發(fā)板、Android平板、Linux開發(fā)板集成串口、Mini-PCI 接口，Android平板集成4G通信模塊；車際通信網(wǎng)卡通過控制平臺(tái)的Mini-PCI 接口與控制平臺(tái)相連，以進(jìn)行車輛間的車際通信；4G通信模塊集成在控制平臺(tái)中的Android平板中，可與應(yīng)用服務(wù)器和管理中心通信。其工作模式如圖1所示。

圖1 工作模式圖

與現(xiàn)有車載單元相比，本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的集成4G與802.11p雙網(wǎng)卡的車載單元不僅可以實(shí)現(xiàn)車際之間的通信，還可以使用4G通信模塊與管理中心通信，從而獲取更多多元、豐富的服務(wù)，并能夠根據(jù)用戶的需要增加相應(yīng)的服務(wù)功能，滿足用戶對(duì)車載單元通信功能的要求。

1.3 802.11p協(xié)議簡(jiǎn)介

IEEE 802.11p協(xié)議是IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)擴(kuò)充而來，主要作用在車載電子無線通信過程中，符合智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation Systems，ITS）的相關(guān)應(yīng)用。應(yīng)用層面有高速行駛的車輛間、車輛與ITS路邊基礎(chǔ)設(shè)施間相關(guān)數(shù)據(jù)的交換。IEEE 1609標(biāo)準(zhǔn)基于IEEE 802.11p通信協(xié)議的上層應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE 802.11p協(xié)議是車載自組織網(wǎng)絡(luò)MAC和PHY規(guī)范。IEEE 802.11p 協(xié)議是對(duì) IEEE 802.11協(xié)議的改進(jìn)，以滿足車輛在高速行駛環(huán)境下的通信需求?？梢詫?duì)IEEE 802.11a協(xié)議進(jìn)行直接修改，將傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)技術(shù)用于車輛協(xié)同通信環(huán)境中。協(xié)議仍采用OFDM作為傳輸方案，但為了適應(yīng)高速移動(dòng)環(huán)境，IEEE 802.11p在數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）和物理層都做了相應(yīng)的改進(jìn)。在數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)置了不加入BSS的通信方式，以此來解決接入時(shí)延的問題。數(shù)據(jù)鏈路層中引入了IEEE802.11e中的相關(guān)增強(qiáng)型分布式信道接入機(jī)制來保障服務(wù)質(zhì)量。物理層將相應(yīng)的保護(hù)間隔擴(kuò)大了一倍，為1 600 ns，以此來包容更大的多徑時(shí)延。endprint

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)概述

基于4G與802.11p的安全可追溯車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是將傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)、通信技術(shù)、感知與控制技術(shù)等有機(jī)融合在車輛和交通道路管理體系中建成的一種實(shí)時(shí)、高效、智能的交通管理系統(tǒng)。它能很好的對(duì)車輛實(shí)施全程監(jiān)控和信息交互操作，實(shí)現(xiàn)車與路、車與車、車與人之間的聯(lián)系，確保道路安全與管理。車聯(lián)網(wǎng)設(shè)施架構(gòu)如圖2所示。

圖2 車聯(lián)網(wǎng)設(shè)施架構(gòu)圖

2.2 功能介紹

本系統(tǒng)分為車載設(shè)備、路邊單元、后臺(tái)管理系統(tǒng)和服務(wù)端四部分。系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架圖

2.2.1 車載設(shè)備

車載設(shè)備包括Android端和車載通信單元兩個(gè)模塊。Android端擁有車與路邊單元通信、車車通信以及與服務(wù)端4G通信三項(xiàng)功能，車載通信單元主要用于GPS獲得車輛位置及信息的采集與轉(zhuǎn)發(fā)，用以同路邊單元進(jìn)行信息交互。對(duì)Android端功能的具體描述如下：

（1）車車通信：智能移動(dòng)終端能夠?qū)崿F(xiàn)車車通信，互相了解信息，做好交通預(yù)警、車路協(xié)同等工作；

（2）車與路邊單元通信：路邊單元安裝在路側(cè)，采用專用短程通信技術(shù)，可與車載單元進(jìn)行通訊，可實(shí)現(xiàn)車輛身份識(shí)別；

（3）與服務(wù)器端4G通信：通過現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站與服務(wù)端通信，完成位置信息的實(shí)時(shí)上傳及與其他車輛通信時(shí)的信息交換。

2.2.2 路邊單元

路邊單元（RSU）與車載通信單元（OBU）通過802.11p協(xié)議進(jìn)行無線通信，路邊單元（RSU）與后臺(tái)管理系統(tǒng)也通過802.11p協(xié)議進(jìn)行通信。即具有路邊單元與車量間通信、路邊單元與后臺(tái)通信功能。具體功能描述如下：

（1）路邊單元與系統(tǒng)中的車輛進(jìn)行通信：路邊單元與系統(tǒng)中車輛安裝的車載設(shè)備上的車載通信單元通過802.11p協(xié)議進(jìn)行通信，獲取車載通信單元所傳輸?shù)能囕v位置信息及車主用戶之間互發(fā)的消息，并將消息轉(zhuǎn)發(fā)至周邊車輛；

（2）路邊單元與后臺(tái)通信：路邊單元將接收到的車輛位置信息及車主用戶之間互發(fā)的消息傳輸至后臺(tái)管理系統(tǒng)，同時(shí)將后臺(tái)管理系統(tǒng)所發(fā)的公告等信息傳輸至周邊車輛。

2.2.3 后臺(tái)管理系統(tǒng)

后臺(tái)管理系統(tǒng)包括通信模塊、車輛管理模塊和實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊。通信模塊包括后臺(tái)與路邊單元通信、消息廣播、與服務(wù)端通信等功能；車輛管理包括車輛的入網(wǎng)注冊(cè)、車輛查詢、用戶撤銷等功能；實(shí)時(shí)監(jiān)控包括對(duì)車輛位置監(jiān)控及車主間的消息監(jiān)控。具體功能描述如下：

（1）后臺(tái)與路邊單元通信：實(shí)時(shí)獲取車輛位置信息及車主用戶之間相互發(fā)送的消息，用于車輛的位置和消息監(jiān)控；

（2）消息廣播：將后臺(tái)管理系統(tǒng)所發(fā)布的公告等信息通過消息廣播的方式傳輸至各車輛；

（3）入網(wǎng)注冊(cè)：當(dāng)車輛進(jìn)入車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，要先到后臺(tái)管理系統(tǒng)中完成相應(yīng)的車輛注冊(cè)操作；

（4）車輛查詢：后臺(tái)管理系統(tǒng)可以從數(shù)據(jù)庫中查詢已注冊(cè)車輛的相關(guān)信息；

（5）用戶撤銷：根據(jù)實(shí)際需求，可對(duì)一些已注冊(cè)的車輛用戶進(jìn)行身份撤銷的操作并核對(duì)信息，完成相應(yīng)的撤銷任務(wù)；

（6）位置監(jiān)控：后臺(tái)管理系統(tǒng)通過接收并處理路邊單元轉(zhuǎn)發(fā)的車輛GPS消息以定位每一輛車的位置，并在地圖上顯示。對(duì)車輛道路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，并在第一時(shí)間給出相應(yīng)的解決方案，快速發(fā)現(xiàn)并解決問題；

（7）消息監(jiān)控：對(duì)車主用戶之間互發(fā)的消息進(jìn)行監(jiān)控，防止用戶發(fā)布非法信息；

（8）消息追溯：后臺(tái)管理系統(tǒng)能夠?qū)?02.11p協(xié)議組網(wǎng)上的消息進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)消息的發(fā)送車輛進(jìn)行真實(shí)身份的追溯。

2.2.4 服務(wù)端

服務(wù)端具有位置信息存儲(chǔ)及信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，具體功能描述如下：

（1）位置信息存儲(chǔ)：將車輛通過4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳的位置信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，用于后臺(tái)管理系統(tǒng)獲取車輛位置；

（2）信息轉(zhuǎn)發(fā)：轉(zhuǎn)發(fā)車輛位置信息及車主用戶間的聊天信息。

2.3 系統(tǒng)防護(hù)

本文系統(tǒng)提出了一種基于車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中匿名身份的消息認(rèn)證方案，本文方案可以有效解決發(fā)生在車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的安全通信、隱私保護(hù)等問題，能夠更好的適用于車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

2.3.1 初始化

首先給每輛車配備一個(gè)防篡改設(shè)備，防篡改設(shè)備可在任何情況、任何形式的攻擊下保障其數(shù)據(jù)的安全性。車輛裝載了防篡改設(shè)備后，攻擊者便不能獲得存儲(chǔ)在該設(shè)備上的任何數(shù)據(jù)。

2.3.2 假名生成

為了實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù)，我們通過使用由認(rèn)證模塊，假名生成模塊，私鑰生成模塊組成的防篡改設(shè)備，由它負(fù)責(zé)生成隨機(jī)的偽標(biāo)識(shí)，并相應(yīng)生成基于身份加密的專用密鑰。

2.3.3 消息簽名

當(dāng)車輛在道路上行駛時(shí)會(huì)定期廣播相關(guān)交通信息，可能會(huì)潛在地影響交通控制中心的決策和流量分布的優(yōu)化。為確保消息的完整性，車輛對(duì)發(fā)送的每一個(gè)消息都需要簽名，并在接收時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3.4 認(rèn)證

基于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)路邊單元從車輛接收到與交通有關(guān)的消息時(shí)，路邊單元必須驗(yàn)證該消息的簽名，以確保對(duì)應(yīng)車輛未模仿任何其它合法車輛或傳播虛假消息。

2.3.5 身份追溯

對(duì)于給定的假名，只有信任中心能夠通過私密鑰計(jì)算以確定、追蹤發(fā)送者的真實(shí)身份。一旦簽名有爭(zhēng)議，信任中心有能力從有爭(zhēng)議的消息中追蹤到這輛車，可追溯性可以很好的滿足車輛跟蹤的要求。

2.4 系統(tǒng)測(cè)試

軟件錯(cuò)誤經(jīng)常發(fā)生，軟件質(zhì)量出現(xiàn)重大問題屢見不鮮。所以本文監(jiān)控系統(tǒng)必須經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試，盡可能發(fā)現(xiàn)相關(guān)錯(cuò)誤，減少系統(tǒng)內(nèi)部各模塊間的功能與邏輯錯(cuò)誤，保證每個(gè)模塊都能正確實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的功能及操作，保證其性能可滿足用戶要求。endprint

分別對(duì)車載設(shè)備端和后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試流程如圖4和圖5所示。

3 安全性分析

車聯(lián)網(wǎng)中的消息錯(cuò)綜復(fù)雜，各種攻擊方式會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不同程度的破壞，因此為了確?；?G與802.11p的可追溯車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：

（1）消息認(rèn)證和完整性。這是車聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)最為重要的安全目標(biāo)，對(duì)消息進(jìn)行認(rèn)證可保證接收到的消息是否為發(fā)送者發(fā)送的消息，消息的完整性保證了消息是否被攻擊者修改過。系統(tǒng)對(duì)802.11p組網(wǎng)及4G網(wǎng)絡(luò)上的消息進(jìn)行認(rèn)證，確保所傳輸?shù)男畔⒄鎸?shí)、完整。

（2）不可抵賴性?？傻仲囆约窗l(fā)送者可以不承認(rèn)該消息是其發(fā)送的，并且系統(tǒng)中沒有任何證據(jù)可以證明該消息由誰發(fā)送。不可抵賴性就是發(fā)送者對(duì)自己發(fā)送的消息負(fù)責(zé)，系統(tǒng)中留有證據(jù)，使消息發(fā)送者無法否認(rèn)自己已發(fā)送的消息。消息的不可抵賴性在安全通信中意義重大，在調(diào)查道路交通事故時(shí)不可抵賴性的作用尤為突出，我們可以調(diào)查事故發(fā)生前當(dāng)事人及相關(guān)人員發(fā)送或接收的消息，高度還原案發(fā)前的局勢(shì)，為案件的合理審判提供真實(shí)證據(jù)。

（3）條件隱私保護(hù)及可追責(zé)性。隱私保護(hù)是指系統(tǒng)可以保護(hù)用戶的隱私不被第三方非法竊取而采取的必要措施。授權(quán)機(jī)構(gòu)在獲取用戶消息的同時(shí)，也能夠追溯消息的來源，即可追責(zé)性。

（4）實(shí)時(shí)高效性。由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)——車輛是高速行駛的，而路邊單元的通信范圍有限，且通信過程中車輛間或車輛與路邊單元等發(fā)送或廣播的消息通常都具有時(shí)效性，所以對(duì)發(fā)送的消息需快速分析處理并做出相應(yīng)的回復(fù)，即滿足實(shí)時(shí)高效性。

圖4 后臺(tái)管理系統(tǒng)測(cè)試流程

圖5 車載設(shè)備測(cè)試流程

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于車聯(lián)網(wǎng)的位置監(jiān)控系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的基于車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了4G和802.11p雙網(wǎng)卡通信的車載單元，解決了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)無法獲取未形成車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)車輛數(shù)據(jù)的問題，同時(shí)還可以滿足用戶在不同場(chǎng)景下的通信需求，順利度過車聯(lián)網(wǎng)初期階段，即使在車聯(lián)網(wǎng)完備階段，仍可作為補(bǔ)充通信方式。

（1）車載設(shè)備加入更多傳感器。通過車載設(shè)備中傳感器的增加，完成更多的車輛信息數(shù)據(jù)采集，如對(duì)車輛速度、車內(nèi)空氣等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可更全面、方便的查看車輛信息。

（2）增加路邊單元信息驗(yàn)證功能。路邊單元對(duì)驗(yàn)證未通過的信息可不轉(zhuǎn)發(fā)，減少了通信中非法用戶產(chǎn)生的垃圾信息，同時(shí)大大增加了路邊單元的信息負(fù)載能力。

（3）更加靈活、方便的車與車交流方式。系統(tǒng)增加了車車之間的私人聊天等功能，滿足了用戶點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的需求。

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