貴州匯聯(lián)通電子商務(wù)服務(wù)有限公司 謝 飛 韋 俊 楊學(xué)禮

文章對ETC智慧停車場景的現(xiàn)狀進行了研究和分析，提出了一套基于云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的ETC云密鑰體系，給出了一套完整的云密鑰解決方案和機制，解決了在非高速公路的ETC場景下的密鑰安全管控和便捷服務(wù)，闡述了云密鑰在ETC智慧停車場景應(yīng)用中擬解決的關(guān)鍵問題和核心技術(shù)。

國家發(fā)展改革委、交通運輸部關(guān)于印發(fā)《加快推進高速公路電子不停車快捷收費應(yīng)用服務(wù)實施方案》的通知（發(fā)改基礎(chǔ)〔2019〕935號）中對ETC的拓展服務(wù)場景提出了具體要求：鼓勵ETC在停車場涉車領(lǐng)域的應(yīng)用，并在2020年12月底前，基本實現(xiàn)機場、火車站、客運站、港口碼頭等大型交通場站停車場景ETC服務(wù)全覆蓋，推廣ETC在居民小區(qū)、旅游景區(qū)等停車場景的應(yīng)用。

針對ETC推廣應(yīng)用中存在的實際問題，文中對基于云計算及物聯(lián)網(wǎng)的云密鑰技術(shù)在ETC智慧停車場景中的應(yīng)用進行了探索，將云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與PSAM和PCIe密鑰體系進行了深度融合，提出了一套具有ETC特色的云密鑰體系，從而實現(xiàn)ETC停車場景中密鑰體系的安全管控，最終實現(xiàn)ETC在涉車支付領(lǐng)域的安全、便捷擴展和應(yīng)用。

1 研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)ETC停車場的扣費交易中需要應(yīng)用密鑰認證來保證交易的安全性，因此在ETC體系中的路側(cè)設(shè)備（RSU）需要具備密鑰能力才能完成扣費。目前的ETC系統(tǒng)中，大多沿用高速公路的用法在RSU中配裝PSAM卡來提供密鑰能力，PSAM在高速公路系統(tǒng)中的應(yīng)用有嚴格的管理機制，其他的涉車支付場景中，尤其是泛停車場景，場站分散、沒有規(guī)范的管理機制，PSAM有很大的濫用風險。一些廠商和高速公路業(yè)主也已經(jīng)在密鑰云端化的應(yīng)用做了一些嘗試，但大多只是將實體密鑰卡搬離到遠端（云端）集中管理，或者使用少量實體密鑰卡以時序方式為大量場站服務(wù)，但由于其對并發(fā)調(diào)度和協(xié)議解析沒有合理解決，故當前云端密鑰在時延及并發(fā)性上都無法達到大規(guī)模商用的要求。

針對上述情景，文中基于先進的云計算及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，融合ETC密鑰體系，提出一套完整的云密鑰解決方案和機制，解決在非高速公路的ETC場景下的密鑰安全管控和便捷服務(wù)。

本次研究目的如下：

?兼容云密鑰及實體密鑰（PSAM），有效覆蓋各種密鑰使用場景，提供多安全等級的安全保障；

?云密鑰的核心密鑰載體支持PSAM和PCIe兩種方式，具備實體密鑰的在線認證能力，高級別保障密鑰的安全性和可用性；

?融合集群調(diào)度、分布式存儲、微服務(wù)和密鑰調(diào)度機制等技術(shù)，具備密鑰處理的云端調(diào)度能力和彈性擴展能力；

?實現(xiàn)密鑰的云+端一體化服務(wù)機制，完善ETC適用場景。

2 擬解決的關(guān)鍵問題

本次研究實現(xiàn)在ETC+場景下的云密鑰應(yīng)用，當各類涉車支付用戶有意愿使用ETC技術(shù)，實現(xiàn)先天無感便捷支付時，提供一種基于云端密鑰獲取機制，降低實體密鑰卡的申請、管理成本，減少濫用風險。本次研究擬解決的關(guān)鍵問題如下。

2.1 云端密鑰并發(fā)和響應(yīng)

實體密鑰卡與設(shè)備是一一綁定的，而采用云密鑰之后，設(shè)備側(cè)無需存放實體密鑰卡，所需密鑰通過云端訪問，在此種情況下，對云密鑰產(chǎn)品的并發(fā)和實時響應(yīng)具有一定要求，既要能夠滿足大量ETC設(shè)備的并發(fā)訪問，又要能夠?qū)崟r返回結(jié)果。本次研究采用先進的云計算及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過云/邊/端的架構(gòu)體系，穩(wěn)定、安全、高效的完成云密鑰的并發(fā)和響應(yīng)。

2.2 PSAM和PCIe密鑰卡的兼容

由于不同級別的客戶，在使用云密鑰時，可申請的密鑰卡略有差異，大型交通樞紐等車流量較大的停車場，可直接獲得PCIe密鑰卡，而中小型場景只需PSAM密鑰卡即可滿足需求。故本次研究中，云密鑰的基礎(chǔ)密鑰支撐會兼容PSAM卡和PCIe卡，根據(jù)場景要求，也可混用PSAM矩陣和PCIe矩陣，以提供完備的云密鑰的服務(wù)能力。

2.3 云密鑰和實體密鑰卡的兼容

當期，各類ETC應(yīng)用場景使用的均為實體密鑰卡（PSAM），本次研究采用云技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建云密鑰體系，使用戶無需申請實體密鑰卡，即可使用ETC服務(wù)，但會存在實體密鑰卡和云密鑰共存的方式，本次研究可兼容云密鑰和實體密鑰卡的使用，在同一場景下兩種密鑰方式可共存，且可按需替換。

3 云密鑰在ETC智慧停車場的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

ETC云密鑰系統(tǒng)架構(gòu)采用分布式集群服務(wù)的形式。每臺服務(wù)器插入若干張PCI密鑰卡（或PSAM密鑰卡），運行相同的軟件，由服務(wù)器集群技術(shù)協(xié)同工作，共同提供ETC停車場云交易密鑰服務(wù)，同時具有良好的性能、容錯性、可用性、伸縮性和擴展性。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 云密鑰核心技術(shù)

（1）高性能/高可用性集群技術(shù)體系

每臺服務(wù)器上都安裝有相同的軟件，通過集群協(xié)同機制，具有良好的伸縮性，可以通過線性增加服務(wù)器數(shù)量，來實現(xiàn)平滑的性能升級。集群中的每個節(jié)點都能夠提供完整的服務(wù)，單點故障不影響整體服務(wù)質(zhì)量，從而具有良好的高可用性（HA）。通過成熟的分布式組件，協(xié)調(diào)整個集群中各個節(jié)點的工作，保障總體服務(wù)質(zhì)量最佳。

（2）微服務(wù)架構(gòu)

本研究將采用一套成熟且易用的微服務(wù)架構(gòu)，它易于開發(fā)集成，并有效的簡化了分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)，如服務(wù)發(fā)現(xiàn)注冊、配置中心、消息總線、負載均衡、斷路器、數(shù)據(jù)監(jiān)控等。微服務(wù)架構(gòu)的核心是服務(wù)注冊中心，每臺服務(wù)器均包含有一個服務(wù)管理節(jié)點，從而組成一個服務(wù)注冊中心集群。每臺服務(wù)器上的ETC服務(wù)以REST服務(wù)方式暴露，并向注冊中心注冊。

（3）高性能存儲技術(shù)

本次研究采用高性能的Key-Value數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)﹃P(guān)系數(shù)據(jù)庫起到很好的補充作用，特別是在大數(shù)據(jù)的情況下，能夠?qū)σ话悴樵儗崿F(xiàn)快速響應(yīng)。它提供了多種語言/平臺的客戶端，使用方便。該存儲技術(shù)支持主從同步，數(shù)據(jù)可以從主服務(wù)器向任意數(shù)量的從服務(wù)器上同步，從服務(wù)器可以是關(guān)聯(lián)其他從服務(wù)器的主服務(wù)器，這使得該技術(shù)可執(zhí)行單層樹復(fù)制。

在本次研究中，使用高性能Key-Value存儲技術(shù)集群存儲龐大的黑名單數(shù)據(jù)。通過存儲集群的分片和冗余，能夠?qū)崿F(xiàn)黑名單數(shù)據(jù)的高效存儲，在交易過程中，能夠迅速地查詢黑名單數(shù)據(jù)，并

（5）高效的分布式集群協(xié)同技術(shù)

從上面的論述中，可以看出，本研究都是基于集群化考慮的，但集群并非簡單機械地堆積，需要能夠協(xié)同工作，特別是有些事務(wù)性要求的操作，例如高管局的數(shù)據(jù)上報、黑名單數(shù)據(jù)同步等。在本次研究中，采用基于Fast Paxos算法的集群技術(shù)來進行集群中各個節(jié)點服務(wù)的協(xié)同，通過分布式集群協(xié)同服務(wù)來協(xié)同和管理整個集群服務(wù)器的狀態(tài)，并選舉出用于承擔事務(wù)性強、實時性要求低的“主服務(wù)器”來承擔。同時，分布式集群協(xié)同服務(wù)組件本身也做了集群化，從而避免單點故障引起的整體服務(wù)不可用。

結(jié)語：在ETC智慧停車場景中，云密鑰體系集中對ETC交易密鑰進行管控，并集成了在線黑名單查詢功能，解決了ETC交易密鑰的安全性問題和ETC黑名單下發(fā)到停車場延遲問題，可降低ETC智慧停車場的推廣成本和ETC黑名單下發(fā)延遲造成的損失，同時，對于快速推廣ETC智慧停車應(yīng)用有著積極意義。且由集群一定的冗余來保證數(shù)據(jù)安全，不會因為單點故障而引起數(shù)據(jù)丟失或查詢失敗。

（4）通信安全

由于前端OBU交易必須保證一定的效率，需要在毫秒級完成整個云交易支持。ETC云交易平臺對外提供服務(wù)，不采用互聯(lián)網(wǎng)流行的HTTP/REST方式，而采用TCP/IP長連接方式。同時疊加密鑰協(xié)商和3DES加密算法，在保證安全的前提下，提高加解密效率。所有停車場端的ETC-POS終端均和服務(wù)集群中的某臺服務(wù)器建立長連接線，并維持心跳。當某節(jié)點發(fā)生故障時，通過浮動IP技術(shù)確保迅速恢復(fù)連接到其他服務(wù)器節(jié)點。