葛明珠 舒長興

摘 要：車載自組織網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad Hoc Network，VANET）是一種將傳感器技術(shù)、短距離移動(dòng)通信及信息處理技術(shù)相結(jié)合的一種移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）。然而，移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介固有的開放性、終端資源的受限性、終端的移動(dòng)性以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性，使得移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)面臨著較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。如何保證在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行安全高效的傳輸數(shù)據(jù)是我們要解決的問題。論文提出一種車聯(lián)網(wǎng)中的安全高效路由方法來提高數(shù)據(jù)包的傳輸效率。模擬實(shí)驗(yàn)顯示，此方法在數(shù)據(jù)包的遞送率和端到端延時(shí)方面要優(yōu)于洪泛路由方法。

關(guān)鍵詞：車載網(wǎng)；路由；信息安全

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，智能汽車、無人駕駛汽車的研發(fā)，使得汽車不僅僅是一個(gè)代步工具，還是集辦公、娛樂為一體的服務(wù)平臺(tái)。智能化汽車已經(jīng)成為最熱門的研究領(lǐng)域之一，并將在未來多年繼續(xù)成為全世界最關(guān)注的領(lǐng)域之一。車載網(wǎng)起源于無線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)從初期的單一業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化為當(dāng)前涵蓋各種無線通信技術(shù)、面向眾多應(yīng)用行業(yè)、提供多樣化業(yè)務(wù)的智能化通信系統(tǒng)。利用它最終將實(shí)現(xiàn)任何人在任何時(shí)候、在任何地點(diǎn)與任何人進(jìn)行任何內(nèi)容的通信。在車載網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，它們所面臨的安全傳輸問題也日益嚴(yán)峻，如何安全高效的傳輸數(shù)據(jù)始終是車載網(wǎng)能正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

車載網(wǎng)中無線終端接發(fā)設(shè)備體積較小，在計(jì)算或存儲(chǔ)能力、通信帶寬和電源供電時(shí)間方面的局限性，使得原來在有線環(huán)境下的許多協(xié)議不能直接用于無線網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為復(fù)雜，許多攻擊行為都可以很隱蔽地進(jìn)行而不易察覺，尤其是被動(dòng)攻擊方法。與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的安全威脅更加嚴(yán)重。所有常規(guī)有線網(wǎng)絡(luò)屮存在的安全威脅和隱患都依然存在于無線網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)頻繁加入、退出以及不斷變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟步o信息的安全傳輸帶來新的問題。

車載自組織網(wǎng)絡(luò)缺乏統(tǒng)一管理，車輛節(jié)點(diǎn)能在比較大的范圍內(nèi)移動(dòng)，且對(duì)等的各車輛節(jié)點(diǎn)協(xié)同傳輸數(shù)據(jù)。如何減少傳輸數(shù)據(jù)的沖突，減少數(shù)據(jù)包的丟失、安全高效地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)是需要解決的問題[1]。此外，車輛不僅可以跟別的車輛通信，它還可以跟路邊單元（Road Side Units）通信，通過路邊單元接入主干網(wǎng)，為車內(nèi)成員提供更豐富的服務(wù)[2]。所以，在車載網(wǎng)中尋找一條安全高效的信息傳輸路徑具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 相關(guān)研究現(xiàn)狀

由于VANET場景中節(jié)點(diǎn)的特殊性，該領(lǐng)域的路由算法一直是國內(nèi)外學(xué)者們的研究熱點(diǎn)，前期學(xué)者對(duì)車載網(wǎng)路由算法做出的研究，主要分為單播路由和廣播路由。

最近幾年學(xué)者們提出車載網(wǎng)中的單播路由協(xié)議按照策略的不同，主要分為幾種：基于節(jié)點(diǎn)位置的路由、基于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)預(yù)測的路由、基于延時(shí)容忍的路由、基于錨點(diǎn)的路由、基于路邊設(shè)施的路由。

基于節(jié)點(diǎn)位置的路由通過節(jié)點(diǎn)間互相交換各自的當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)包來獲取各自的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息[3]。該策略在選擇下一跳中繼時(shí)，優(yōu)先選擇與目的節(jié)點(diǎn)位置距離更近的節(jié)點(diǎn)來中繼數(shù)據(jù)包[4]，如Chi等[5]為基于節(jié)點(diǎn)位置信息的路由提出了相關(guān)的鏈路質(zhì)量預(yù)測參數(shù)。Kaiwartya[6]基于高速公路環(huán)境提出了一種根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置來選擇路由的方法。這些路由策略是根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)、鄰居節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的位置信息來做路由選擇，這需要一些車載設(shè)備和相應(yīng)服務(wù)的支持，如GPS設(shè)備、位置服務(wù)等。

基于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)預(yù)測的路由，蔣若冰、朱燕民等[7]根據(jù)車輛移動(dòng)軌跡提出一種新的覆蓋圖來維持所有曾遭遇的車輛的連接。車輛實(shí)時(shí)地更新信息以評(píng)估每輛車可延伸的覆蓋范圍，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到這些覆蓋范圍較大的車輛來提高數(shù)據(jù)包成功傳送的概率。陶樺和馮富琴等[8]提出了一種基于車輛運(yùn)行軌跡特征分析的RPT-GA 算法。賈建斌、徐明等[9]提出一種基于剩余延遲比較的機(jī)會(huì)中繼選擇策略。該策略以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的歷史聯(lián)系記錄和最近相遇以來的經(jīng)歷時(shí)間為基礎(chǔ)，估計(jì)消息的直接轉(zhuǎn)發(fā)剩余延遲，通過比較剩余延遲選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)。如果網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息（如當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的位置信息、移動(dòng)速度、移動(dòng)方向、移動(dòng)路徑和移動(dòng)的目的位置等）能準(zhǔn)確預(yù)測，則基于節(jié)點(diǎn)位置預(yù)測的路由算法理論上可以尋找到最優(yōu)的傳輸路徑。因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)的位置都已知時(shí)這就是一個(gè)求解最優(yōu)路徑的問題。

基于延時(shí)容忍的路由利用一些路由信息（跳數(shù)、延時(shí)、帶寬等）在一定的約束條件（最小延時(shí)、最小代價(jià)等）下尋找最優(yōu)解的過程[10，11]?；阱^點(diǎn)的路由，其主要的策略是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)沿著被定義為錨點(diǎn)的地理位置點(diǎn)來進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)中錨點(diǎn)的確定可由源節(jié)點(diǎn)計(jì)算也可由中繼節(jié)點(diǎn)計(jì)算，選擇數(shù)據(jù)包的下一跳中繼節(jié)點(diǎn)，其判決是以錨點(diǎn)位置為依據(jù)[12]，而不是以目的節(jié)點(diǎn)位置來判斷[13]。

Di和Yuan等[14]為車載網(wǎng)中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)提出了一種混合的路由機(jī)制。該機(jī)制借助RSUs等路邊節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用來支持車內(nèi)通信，車與RSUs通信和RSU之間的通信。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密度很大時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)編碼來多播路由。應(yīng)用MDS編碼和發(fā)送集局部拓?fù)湫畔硗瓿婶敯粜酝ㄐ?。在?jié)點(diǎn)稀疏的網(wǎng)絡(luò)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)會(huì)路由機(jī)制來解決發(fā)送時(shí)鏈路不連接的問題。趙慧、劉明等[15]提出了VANETs中基于停放車輛輔助的數(shù)據(jù)分發(fā)策略PADD。按照簇的結(jié)構(gòu)對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的路邊停放車輛進(jìn)行管理，將要分發(fā)的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源路由到目標(biāo)區(qū)域合適的停車簇，并采用訂閱/發(fā)布機(jī)制在停車簇一跳范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)。Yuanjie和Yinsheng等[16]提出了一種基于車輛運(yùn)行軌跡特征分析的RPT-GA 算法。該種路由算法需要網(wǎng)絡(luò)中部署耗費(fèi)較大地路邊設(shè)施，不但極大增加了網(wǎng)絡(luò)的投資，而且數(shù)量受到限制。不同于耗費(fèi)巨大的路邊設(shè)施，本項(xiàng)目考慮的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)是與放置在車輛節(jié)點(diǎn)中一致的信息收發(fā)及存儲(chǔ)設(shè)備，其代價(jià)比部署路邊設(shè)施要小得多。

現(xiàn)實(shí)場景中有著各種各樣的因素會(huì)影響VANET網(wǎng)絡(luò)廣播協(xié)議性能，VANET網(wǎng)絡(luò)本身是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，擁有開放性質(zhì)的、高速動(dòng)態(tài)變化的、以及較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。許多學(xué)者針對(duì)不同車載網(wǎng)場景中的應(yīng)用需求提出了多種相應(yīng)的廣播算法。

基于時(shí)隙分配廣播。羅濤、李俊濤等提出了一種改進(jìn)的算法（ACR-BA）[17]， ACR-BA算法設(shè)計(jì)了兩種短控制包，有效地抑制了傳輸冗余。為了降低競爭信道的碰撞概率，基于地理位置劃分了候選節(jié)點(diǎn)集，并結(jié)合控制包認(rèn)證機(jī)制在一個(gè)候選節(jié)點(diǎn)集中僅確定出唯一的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。然后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況設(shè)計(jì)了一種基于單位基準(zhǔn)時(shí)隙的自適應(yīng)機(jī)制，設(shè)置盡量小的退避等待時(shí)間，提高信息廣播的實(shí)時(shí)性。最后，設(shè)置了針對(duì)短控制包和數(shù)據(jù)包的超時(shí)重傳保障機(jī)制，在保證算法實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上最大限度地提高可靠性。

基于距離的廣播算法會(huì)選擇距離廣播節(jié)點(diǎn)更遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)作為下一跳中繼節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，通過減少數(shù)據(jù)廣播傳輸過程中的跳數(shù)來降低廣播數(shù)據(jù)包的傳輸延遲。此外，也可以進(jìn)一步控制網(wǎng)絡(luò)中冗余廣播信息的數(shù)量，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率[18]。Yang 和Qian等[19]提出了K度鄰居節(jié)點(diǎn)算法構(gòu)建一個(gè)廣播節(jié)點(diǎn)集廣播緊急信息。

VANET場景中的通信安全方法也是學(xué)者們一直在研究問題。李嘉嘉[20]針對(duì)數(shù)據(jù)加密技術(shù)的概述以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全中數(shù)據(jù)加密的實(shí)踐分析等方面進(jìn)行研究以及分析。陳艾琳和李斌勇[21]圍繞一對(duì)多通信的隱私保護(hù)安全問題，針對(duì)通信過程中面臨的惡意攻擊風(fēng)險(xiǎn)，分析了攔截監(jiān)聽和中斷信息兩種主流攻擊方式。結(jié)合兩種方式的惡意攻擊特點(diǎn)，在分析RSA算法的加解密原理基礎(chǔ)上，結(jié)合Hash算法和通信消息的確認(rèn)原理，提出了一種基于Hash算法的消息確認(rèn)機(jī)制。

3 路由方法

3.1 假定條件

該方法假定VANET 中的每輛車都裝有GPS設(shè)備，都能獲知自己的即時(shí)位置。此外，發(fā)送數(shù)據(jù)包的源節(jié)點(diǎn)知道目的節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前地理位置以便決定路由，每輛車都裝載有街道級(jí)的電子地圖。每個(gè)數(shù)據(jù)包設(shè)定含有字段： 源節(jié)點(diǎn)ID、目的節(jié)點(diǎn)ID、目的節(jié)點(diǎn)位置。

3.2 路由方法

本路由方法根據(jù)車輛的行駛方向?qū)⒄麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為相應(yīng)的子網(wǎng)，選擇與目的節(jié)點(diǎn)同向的子網(wǎng)，找出源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的所有可能的路徑p1，p2……pn，對(duì)于每個(gè)pi計(jì)算它的代價(jià)，選擇最小的一條路徑。

算法1 選擇最小延時(shí)路徑算法

輸入：p1，p2……pn；

輸出：min{pi}。

1）對(duì)于每一條路徑pi，定義集合T，存放每條路徑的延時(shí)Ti；

2）從源節(jié)點(diǎn)Si開始；

3）對(duì)于每一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)Di；

4）判斷中繼節(jié)點(diǎn)Di是否擁塞；

5）如果是，則計(jì)算預(yù)期的延時(shí)；

6）如果該延時(shí)比給定的閾值大，則拋棄該路徑pi，換下一路徑pi+1轉(zhuǎn)到步驟2）；

7）否則，計(jì)算路徑的延時(shí)Ti；

8）比較集合T中的元素，記錄min{Ti}；

9）輸出pi。

4 模擬結(jié)果

模擬場景設(shè)置道路數(shù)為30，區(qū)域?yàn)?000m ×2000m，在每條道路上隨機(jī)生成一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)選擇十字路口為目的區(qū)域，平均速度為30 km/h，節(jié)點(diǎn)數(shù)目范圍是50-300，無線傳輸范圍是250m，模擬次數(shù)為5次，最后5次的平均值作為最終結(jié)果，實(shí)驗(yàn)時(shí)長為300s，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的頻率為10個(gè)每秒，模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)以數(shù)據(jù)包的傳送率和端到端的延時(shí)兩參數(shù)來衡量。

如圖1所示，在兩種方法中，采用洪泛方法傳輸數(shù)據(jù)，在節(jié)點(diǎn)數(shù)比較少時(shí)有最低的傳輸延時(shí)。這是因?yàn)槔煤榉悍椒▊鬏敂?shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)比較少時(shí)，產(chǎn)生的沖突少，減少了數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)中的處理時(shí)間，也就減少了延時(shí)，但是這種方法丟包率高。本文的方法，隨著車輛節(jié)點(diǎn)的增加，數(shù)據(jù)包的傳輸延時(shí)都隨之減少。

如圖2所示了在數(shù)據(jù)包的傳輸率上，本文的方法隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，節(jié)點(diǎn)間連接概率的增加使數(shù)據(jù)包的傳送率也隨之增加，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過250 時(shí)，節(jié)點(diǎn)間的干擾和碰撞急劇增加，這使數(shù)據(jù)包的傳送率降低。而這種方法都有遠(yuǎn)高于采用洪泛方法的傳輸率。

5 結(jié)束語

車載自組織網(wǎng)絡(luò)由移動(dòng)的車輛組成，道路交通狀況極大地影響著網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的安全傳輸。本文提出一種VANET中的安全高效路由方法來提高車載網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸性能。模擬結(jié)果顯示本文提出的方法在傳輸延時(shí)，在數(shù)據(jù)傳輸率和端到端延時(shí)這兩項(xiàng)指標(biāo)上要優(yōu)于洪泛方法。

基金項(xiàng)目：

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“車載網(wǎng)中多源預(yù)警信息快速傳輸方法研究”（項(xiàng)目編號(hào)：GJJ61678）。

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