基于目錄哈希樹的車聯網數據同步傳輸方法仿真

嚴嘉正，馬占海，薛曉慧

（1.國網青海省電力公司信息通信公司，青海西寧 810008；2.國網青海省電力公司，青海西寧 810008）

車聯網通常通過無線的方式進行數據傳輸，但是由于汽車的運行速度較快，導致數據傳輸出現了延時問題。因此，數據實時傳輸成為車聯網的一個核心問題，而一個有效的路由協議就顯得尤為重要。目前，國內外學者對車聯網的路由算法進行了深入的研究。目前提出的基于5G 蜂窩網輔助的數據傳輸方法，利用5G 蜂窩網輔助技術，對車聯網中的信息進行了分類。為了減少通信鏈路中斷率，使用傳輸時延不靈敏的總線輔助路由算法，傳輸車聯網數據[1]；還有學者提出的基于線程池技術的數據傳輸方法，根據基于空間數據傳輸的系統工作流程，采用線性化的方法將其分為四個部分，并分別計算了線程池的數目、建立了相應的同步傳輸過程的邏輯順序，通過使用空間數據加密的同步算法來實現網絡優化，加快數據同步傳輸[2]。然而，在車聯網中，當采用磁盤作為數據同步設備時，會出現數據同步傳輸時間長的問題[3]。針對這一問題，提出了基于目錄哈希樹的車聯網數據同步傳輸方法仿真研究。

1 車聯網數據監控平臺自助分析監測

車聯網數據監控平臺自助分析監測，包括以下步驟：

步驟1：抽取車聯網數據監控平臺所提供的地圖信息，主要包括社會和環境信息[4-5]；

步驟2：對比車聯網運行數據的時間特性與群體特性；

步驟3：設定條件，可自動搜尋滿足要求的資料；

步驟4：根據分析的地區和數據特征，自動生成推薦報告。

為了決定同步發送的時間，必須進一步分析推薦報告的邏輯處理時間，處理邏輯時序圖如圖1所示。

圖1 處理邏輯時序圖

在數據同步時隊列中會出現工作混亂的問題，從而造成了程序上的錯誤，這是由于主線程和工作線程在選擇隊列任務時會產生混亂。所以，利用關鍵區域技術，可以同時讀取和寫入兩個線程的操作[6-7]。主線程必須時刻了解已知的任務進展情況，但若直接監控主線程，則一般會鎖定主線程[8]。同時采用查詢線程的方式，對其進行監測，并向主機反饋監測結果，以此保證同步傳輸效率。

2 數據同步傳輸仿真

2.1 構建目錄哈希樹

以上述監測的車聯網數據監控平臺自助分析結果為基礎，構建數據同步傳輸的目錄哈希樹。因為子節點的哈希值需要利用父節點哈希值決定，所以結合深度遍歷算法，依次遍歷目錄樹，以此計算子節點的哈希值[9]。然后統計全部計算結果，再回溯到父節點，完成目錄哈希樹構建。具體步驟如下所示。

步驟1：指定一個目錄的開始路徑，初始化根的查詢點，然后將其壓入stack。此時的stack 是一個目錄遍歷輔助容器，通過該容器確定目錄的開始路徑[10]；

步驟2：循環檢查stack 的狀態，如果stack 不是空的，則執行步驟3。如果stack 是空，則表示未發現任何可以進行哈希運算的節點，這表示哈希樹已被構造。返回到目錄哈希樹的根位置，并從這個循環中退出[11]；

步驟3：讀取棧頂找點，當查詢點的flag 值是0時，代表了該節點完成首次掃描。然后判斷是否存在子節點，并計算哈希值[12]。此時，將flag 值更改為1，執行步驟4。如果節點的flag 值是1，說明這個節點已經進行了二次掃描，并且已經通過了一個目錄，說明子節點尋找哈希值，繼續執行步驟5；

步驟4：在指定的路徑下遍歷目錄，若路徑類型是檔案形式，則停止遍歷；若路徑類型是目錄形式，則依序初始化檔案或目錄父節點，并將節點依次壓入stack 中[13]；

步驟5：計算節點的哈希值，當一個節點是一個文件或者一個空文件夾時，依據其文件名稱和上次的修改時間來計算哈希值，然后插入到哈希列表中。若N個資料夾為資料夾，則在查詢點的哈希清單上按順序合并清單中的散列值。通過運算產生的哈希拼接字串，獲得尋點的哈希值[14]。當計算結束時，從stack 中刪除錯誤的位置，由此構建一個完整的目錄哈希樹。

2.2 基于目錄哈希樹數據同步傳輸流程設計

目錄哈希樹控制結構造成客戶端不能進行直接交互。因此，要實現分布式的目錄同步，就必須在客戶端和中央節點（云）間進行雙向同步，即客戶端將本地文件的更改定時與中央節點進行同步[15]。同時，分析了中心節點上其他客戶端的同步改變，并在當地進行牽引，使其他客戶端的目錄拷貝同步[16]。圖2 為基于目錄哈希樹的數據同步傳輸流程。

圖2 基于目錄哈希樹的數據同步傳輸流程

根據圖2 所示的同步傳輸流程，設計了車輛道路切換、緊急路況兩種情況下的數據同步傳輸方式。

2.2.1 車輛道路切換情況下的數據同步傳輸

在同一道路上，有不同方向的交通工具。在作決策時，交通節點和中繼節點必須了解前方同一條道路上車輛的運行情況，而另一條道路上的交通流則會嚴重影響到其判斷。所以，按照車輛的行進方向以及道路的不同，將同一道路、同一方向的轉接位置作為一個節點，從而避免無關干擾，提高數據通信的可靠性。

車輛道路切換情況下的數據同步傳輸步驟為：

通信雙方A 和B 通過某條線路獲取密鑰公用參數，則在所選路徑上向通信方B 傳輸車聯網數據，該過程需要進行同步數據傳輸加密處理：當通信一方接收到車聯網數據后，根據隨機數判斷數據是否重放，如果是，則直接剔除，反之，則需通過對方公鑰重新簽名并核實。

通信方A 通過數據密鑰加密傳輸車聯網數據，并假設需要傳輸的數據包為m，該數據包經過加密處理后，得到的數據密文為：

式中，nk表示第k個需要加密的數據。

發送方將密文分解成i個子數據包，同時在數據包中添加相關參數，則：

式中，s表示會話序號；r表示塊表示；ti表示時間戳。通信方B 接收的車聯網數據流程：根據會話序號認證空間數據，通過認證結果根據塊標識，對數據包進行解碼處理，并恢復成明文數據包狀態，實現車輛道路切換情況下的數據同步傳輸。

2.2.2 緊急路況情況下的數據同步傳輸

在車輛行駛過程中，容易出現車輛突然發生故障、事故等特殊情況的問題，基于此，設計的緊急路況下的數據同步傳輸步驟如下。

為了抑制車聯網數據傳輸受到威脅，需識別威脅目標等級。如果使用xi表示威脅目標，那么當j個目標同時發起攻擊時，需要根據選定的參數屬性，使用量化函數手段，將威脅目標進行規格化處理，并將其轉換為量化矩陣形式。

假設任意目標針對不同威脅等級對應隸屬度矩陣，將威脅級別隸屬度作為權重，能夠求取威脅目標和等級之間的差別，使用加權歐氏距離，可表示為：

式中，vih表示威脅目標xi的h級別隸屬度；qjh表示屬性j隸屬威脅h級別的規范函數；wj表示屬性j的權重。

按照最小二乘法原則，式（3）的計算結果是最小的，為了獲取最佳隸屬度矩陣和規范矩陣，構建威脅目標識別模型，如式（4）所示：

通過式（4）可以快速判斷威脅數據的相關特性，進而實現威脅數據的精準識別。

3 仿真測試

3.1 仿真界面

為了驗證基于目錄哈希樹的車聯網數據同步傳輸方法仿真的實用性，通過KDD-CUP99 威脅測試數據源，利用Matlab 仿真工具，在XP 操作系統中，使用2.6 GHz 的處理器進行仿真操作。圖3 為車聯網數據傳輸異常檢測界面。

圖3 車聯網數據傳輸異常檢測界面

通過圖3 確定威脅目標，并從KDD-CUP99 威脅測試數據源中任意抽取五個數據集進行仿真測試。

3.2 仿真結果與分析

仿真模擬雙向道路交通路況、T 型道路交通路況和十字道路交通路況，在這三種路況下，分別使用基于5G 蜂窩網輔助的數據傳輸方法、基于線程池技術的數據傳輸方法和基于目錄哈希樹的傳輸方法，對比分析仿真結果。

3.2.1 雙向道路交通路況模擬

在雙向道路交通模擬路況下，三種方法的數據傳輸時間如表1 所示。

表1 雙向道路交通路況下三種方法數據傳輸時間

由表1 可知，使用基于5G 蜂窩網輔助的數據傳輸方法和基于線程池技術的數據傳輸方法，均比基于目錄哈希樹的傳輸方法所耗費時間要長，最大時間差分別為2.98×10-3s 和7.23×10-3s。

3.2.2 T型道路交通路況模擬

在T 型道路交通模擬路況下，三種方法的數據傳輸時間如表2 所示。

表2 T型道路交通路況下三種方法數據傳輸時間

由表2 可知，使用基于5G 蜂窩網輔助的數據傳輸方法和基于線程池技術的數據傳輸方法，均比基于目錄哈希樹的傳輸方法所耗費時間要長，最大時間差分別為16.35×10-3s 和13.90×10-3s。

3.2.3 十字道路交通路況模擬

在十字道路交通模擬路況下，三種方法的數據傳輸時間如表3 所示。

表3 十字道路交通路況下三種方法數據傳輸時間

由表3 可知，使用基于5G 蜂窩網輔助的數據傳輸方法和基于線程池技術的數據傳輸方法，均比基于目錄哈希樹的傳輸方法所耗費時間要長，最大時間差分別為6.72×10-3s 和3.98×10-3s。

通過上述分析結果可知，使用基于目錄哈希樹的傳輸方法，車聯網數據同步傳輸時間較短。

4 結束語

為了提高車聯網數據同步傳輸效率，提出了基于目錄哈希樹的車聯網數據同步傳輸方法仿真，通過構建威脅目標識別模型，抑制車聯網數據傳輸威脅。通過仿真實驗，驗證了該方法具有高效傳輸效果。同時，所提出的仿真方法也可用于其他分布式數據的同步、沖突檢測。下一步研究將探討在雙向同步傳輸時增加備份的可行性，以減少對網絡帶寬的需求，并提高傳輸速度。