一種基于VANET典型應用的安全鑒別機制

黃建青等

1 引言

隨著汽車工業的高速發展，城市交通日益擁堵、交通事故時有發生，使得行車安全和智能交通受到廣泛關注。車載自組網（VANET，Vehicular Ad Hoc Network）因其在智能交通和車載娛樂方面的廣闊應用前景，受到業界的普遍青睞。

信息安全問題是車載自組網中尚未得到很好解決的問題，也是阻礙車載自組網技術推廣應用的焦點問題[1]。由于車載自組網自身的無中心、自組織等特點，傳統有線和無線網絡中的安全鑒別處理機制無法得到直接應用[2]，使得車載自組網更容易受到來自惡意節點的安全威脅。

2 VANET的體系架構和典型應用

2.1 VANET的體系架構

VANET的體系架構如圖1所示，包括車載單元（OBU，On Board Unit）、路側單元（RSU，Road Side Unit）以及路網控制中心、服務中心、鑒別中心等部分構成。大規模車輛節點按照一定的時空特征分布于道路網內部，并通過自組織方式構成網絡。車輛節點通過各種車載傳感裝置，實現對道路交通環境狀況信息的智能感知與實時采集，這些信息可在其車載終端上加以顯示，以提醒駕駛人員注意行車安全[3]。

圖1 VANET體系架構

OBU是安裝在汽車上無線電收發設備，可以與RSU以及其它OBU進行通信，相當于無線通信系統中的移動終端，但是增加了適用于車載環境無線通信的功能，可以與RSU以及其它OBU構建車載無線通信網絡。

RSU又稱路旁單元，是安裝在路旁的一種無線電收發設備。它可以為在其覆蓋區域的OBU提供無線接入服務，但是增加了車載環境無線通信功能，可以給OBU廣播消息或者與OBU進行數據交換。如果需要，還可以為其覆蓋區域的OBU提供信道分配和操作指令。

網管人員能夠在控制中心從OBU和RSU中采集實時動態數據，然后形成控制指令通過RSU發送給相應的OBU。服務中心可以為車輛提供停車咨詢、上網服務等具體應用。鑒別中心主要用于車輛身份的鑒別，防止非法車輛接入VANET。

VANET的通信模式有兩種：一是車輛與路邊基礎設施之間的通信，即移動點（OBU）和固定接入點（RSU）之間的通信，簡稱V2I通信，主要用于獲取交通路況、停車場資訊、定點影音資訊的上傳及下載等；二是汽車和汽車之間的通信，簡稱V2V通信，主要被應用于車輛之間訊息的交換等。

2.2 VANET的典型應用

迄今為止，在VANET中的典型應用主要有四類：第一類是面向交通安全的應用，如車輛協調防撞告警、交叉路口防撞告警、車禍消息告警、逆向行駛告警等；第二類是面向交通管理的應用，如實時道路交通消息、智能交通流量控制、電子不停車收費等；第三類是面向輔助駕駛的應用，如選擇到達目的地的最佳路線、分岔路口切入輔助、超車變道消息等；第四類是面向辦公娛樂的旅途增值業務應用，如分享音樂、電影、網上聊天、玩游戲、前方車位預約服務、商業廣告發布等。

隨著車載自組網的深入研究和廣泛應用，研究人員提出了多個不同的VANET協議體系框架，內容相當豐富。而體現智能交通價值所在的基本點就是VANET的典型應用，不同的應用類型對信息的交換和處理延時的要求亦不相同。

3 VANET系統的安全鑒別研究現狀

3.1 安全鑒別的應用瓶頸

從技術角度看，VANET具備更先進的切換機制（handoff scheme）和對等網絡（peer-to-peer）認證能力，可以廣泛應用于智能交通、輔助駕駛、車載娛樂等方面。但是，在信息安全方面仍然存在著短板，如果這個問題得不到有效解決，惡意節點就可能對網絡進行攻擊，從而干擾交通路線、竊取車載網絡資源和駕駛者位置信息等，會造成不良的影響。

另一方面，根據車載通信固有的特點，在某些特定場景，當發生車禍或者車輛發現前面有障礙物時，需要及時發布安全預警信息，以防止后面的車輛追尾。研究表明，如果駕駛員在碰撞發生前的0.5秒被予以示警，就可以避免60%的交通事故。因此，假若按照通常的步驟對這些安全預警信息先鑒別后處理的話，那么勢必會延長處理時間，在車輛高速行駛的狀態下很可能無法達到安全預警的效果。

因此，在車載通信中存在這樣一個矛盾：如果對接收到的信息不加以鑒別而直接推送給終端用戶的話，則很難阻止惡意節點造成的危害；如果對接收到的信息要先行鑒別的話，則可以阻止惡意節點，但又無法滿足安全預警消息對高速移動車輛的實時性要求。

3.2 安全鑒別的研究概況

近年來，VANET中不少研究是針對MAC層多信道協調問題的，希望在保證安全應用實時性的同時，提高服務信道中非安全應用的網絡吞吐量。文獻[4-5]提出了一種類似802.11機制中點協調功能（PCF）的接入點（AP）協調模式。該模式中存在服務接入點和協調接入點兩類接入點，服務接入點在RSU提供網絡接入服務，而協調接入點負責協調覆蓋范圍內車輛的信息傳輸。文獻[6]提出了一種基于令牌環的MAC協議，通過自適應的令牌環協調，車輛消息的接入被工作在不同服務信道上的多個令牌環自治管理。該協議使得安全消息能夠以更小的延時得以傳輸，同時其它服務的網絡吞吐量也得以提高。但上述文獻并未提到VANET中的安全鑒別問題。而文獻[7-8]分別介紹了VANET中的安全需求以及目前常用的安全鑒別方法，但并未考慮VANET中安全應用的實時性問題。

4 VANET的信息安全處理策略

4.1 安全應用的鑒別機理

由于車輛網絡的自組織性和節點的容錯能力，使得車輛能在特殊的時刻和特殊的環境中快速構建通信聯絡，但不同的應用所對應的要求不同。在上述四類的典型應用中，第一、第二類最為重要，因為涉及到生命安全，故可歸集為安全應用，它們必須在車輛高速行駛的過程中，通過與其它臨近車輛和/或路旁基礎設施之間的無線通信，周期性交換彼此的運動狀態以及道路的環境狀況等實時信息，并在車輛與目標可能發生碰撞的情況下及時進行聲光告警或激活相應的應急措施，所以必須賦予最高的優先級，亦即必須保證低延時和高可靠性。第三、第四類則可歸集為非安全應用，它們對實時性沒有特別要求，但需要避免惡意信息攻擊和提高行車效率。endprint

因此，為了提高車輛網的實時性和健壯性，可以構建一種基于VANET典型應用的安全鑒別機制，即根據不同業務對實時性要求不同的特點，分別采用不同的鑒別機制。對于實時性要求較高的安全應用消息，采用先推送后鑒別的方式，以優先保障通信的實時性。同時，在通信過程中對發布信息的節點進行身份鑒別，如果該節點是非法節點，則向控制中心進行舉報，標記該非法節點，并通知整個VANET中的其它節點拒絕接收該非法節點發布的信息。對于實時性要求不高的非安全應用消息，則采用先鑒別后通信的方式，優先保障網絡的安全性，以防止受到不良網絡的攻擊。通過這種方式，可在保障VANET信息安全的前提下有效提高安全應用消息的實時性。下面將結合實例分別對VANET中存在的幾種通信情況所做的安全鑒別過程進行論述。

4.2 車與路之間的安全應用信息處理

圖2給出了RSU發布安全預警信息時的安全鑒別流程：

圖2 車與路之間的安全應用信息處理

如果某個監控中心發現某處出現一個交通事故或者交通障礙，則通過當地的RSU1發布一個安全預警消息，進入該RSU1覆蓋范圍的OBU1收到該安全預警消息，進行如下處理：

（1）OBU1收到該安全預警消息后，立即進行減速等措施，避免交通事故進一步發生。

（2）OBU1向該RSU1發送接入鑒別請求消息，該消息包含OBU1的證書。

（3）RSU1收到OBU1發來的接入鑒別請求消息后，將自己的證書綁定到該接入鑒別請求消息，然后轉發接入鑒別請求消息到鑒別中心。

（4）鑒別中心利用鑒別服務器對OBU1、RSU1的身份進行鑒別，并反饋鑒別響應消息。

（5）如果雙方的身份都合法，則本次通信結束；如果RSU1身份不合法，則OBU1標記該安全消息為垃圾信息，不再接收該安全消息；如果OBU1的身份不合法，則RSU1向控制中心舉報該節點為惡意節點，由控制中心向所有的RSU1發布消息，阻止該惡意節點再次接入網絡。

4.3 車與路之間的非安全應用信息處理

圖3給出了OBU入網的安全鑒別流程：

圖3 車與路之間的非安全應用信息處理

當車載單元OBU1通過路側單元RSU1接入網絡并獲取網絡資源時，進行如下操作：

（1）OBU1向RSU1發送接入請求消息。

（2）RSU1向OBU1發送接入鑒別激活消息。

（3）OBU1向RSU1發送接入鑒別請求消息，該消息包含其數字證書。

（4）RSU1收到OBU1發來的接入鑒別請求消息后，將自己的證書綁定到該接入鑒別請求消息，然后轉發接入鑒別請求消息到鑒別中心。

（5）鑒別中心利用鑒別服務器對OBU1、RSU1的身份進行鑒別，并反饋鑒別響應消息。

（6）RSU1收到鑒別響應消息，對OBU1的身份進行鑒別，并轉發該鑒別響應消息給OBU1。

（7）OBU1收到鑒別響應消息，對RSU1的身份進行鑒別。

（8）如果RSU1與OBU1的身份合法，則協商會話密鑰；如果有一方不合法，則接入鑒別失敗，斷開連接。

（9）用協商的會話密鑰加密，OBU1通過RSU1訪問網絡，獲取服務中心提供的資源。

4.4 車與車之間的安全應用信息處理

在車與車之間的信息交換過程中，鑒別過程如圖4所示：

圖4 車與車之間的安全應用信息處理

當OBU1發布一條廣播消息，OBU2接收到該廣播信息時，首先對該消息類型進行判斷，如果是安全應用消息，則進行如下處理：

（1）不需對該信息進行鑒別，直接接收，并針對安全預警進行處理，以避免安全事故發生。

（2）接收該安全信息后，向OBU1發送鑒別激活，對OBU1進行身份鑒別。

（3）OBU1向OBU2發送鑒別請求消息，該消息包含OBU1的數字證書。

（4）OBU2將自己的證書包含在該鑒別請求消息中，并轉發給RSU2進行鑒別。

（5）RSU2收到OBU2發來的接入鑒別請求消息后，將自己的證書綁定到該接入鑒別請求消息，然后轉發接入鑒別請求消息到控制中心。

（6）控制中心利用鑒別服務器對OBU1、OBU2和RSU2的身份進行鑒別，并反饋鑒別響應消息。

（7）RSU2收到鑒別響應消息，對OBU1和OBU2的身份進行鑒別，并轉發該鑒別響應消息給OBU2。

（8）OBU2對RSU2和OBU1的身份進行鑒別，并將鑒別結果反饋給OBU1。

（9）OBU1收到鑒別響應消息，對OBU2的身份進行鑒別；如果OBU1為非法車輛，所提供的安全信息為偽造的安全信息，則由RSU2向控制中心舉報。

4.5 車與車之間的非安全應用信息處理

如果接收到的消息是非安全應用相關消息，則進行如下處理：

（1）拒絕接收該消息，并向OBU1發送鑒別激活消息。

（2）OBU1向OBU2發送接入鑒別請求消息，該消息包含OBU1的數字證書。

（3）OBU2將自己的證書包含在該鑒別請求消息中，并轉發給RSU2進行鑒別。

（4）RSU2收到OBU2發來的接入鑒別請求消息后，將自己的證書綁定到該接入鑒別請求消息，然后轉發接入鑒別請求消息到鑒別中心。

（5）鑒別中心利用鑒別服務器對OBU1、OBU2和RSU2的身份進行鑒別，并反饋鑒別響應消息。

（6）OBU2收到RSU2反饋的鑒別響應消息，對RSU2和OBU1的身份進行鑒別，并將鑒別結果反饋給OBU1。

（7）OBU1收到鑒別響應消息，對OBU2的身份進行鑒別；如果OBU1為非法車輛，則OBU2拒絕與OBU1進行通信；否則，OBU2與OBU1進行會話密鑰協商，然后使用會話密鑰進行通信保護。endprint

5 結束語

車載自組網（VANET）是一類特殊的移動自組織網絡，有著廣闊的應用前景。本文依據VANET通信的特點，提出了一種按業務實時性要求進行分類的安全鑒別機制，改變了傳統的先鑒別后傳輸的方法，既保證了通信的傳輸效率，又提高了網絡的安全性，避免了由于安全鑒別接收不及時而造成的車輛碰撞事故，同時還可以及時辨別惡意信息對交通造成的干擾，為解決車聯網的安全性問題提供了一條有效途徑。

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