VANET中一種安全高效的路由方法

葛明珠 舒長興

摘 要：車載自組織網絡（Vehicular Ad Hoc Network，VANET）是一種將傳感器技術、短距離移動通信及信息處理技術相結合的一種移動自組織網絡（Mobile Ad Hoc Network，MANET）。然而，移動無線網絡傳輸媒介固有的開放性、終端資源的受限性、終端的移動性以及網絡拓撲結構的動態(tài)性，使得移動無線網絡面臨著較大的安全風險。如何保證在網絡中進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。模擬實驗顯示，此方法在數(shù)據(jù)包的遞送率和端到端延時方面要優(yōu)于洪泛路由方法。

關鍵詞：車載網；路由；信息安全

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

1 引言

“互聯(lián)網+”時代，智能汽車、無人駕駛汽車的研發(fā)，使得汽車不僅僅是一個代步工具，還是集辦公、娛樂為一體的服務平臺。智能化汽車已經成為最熱門的研究領域之一，并將在未來多年繼續(xù)成為全世界最關注的領域之一。車載網起源于無線網絡，無線網絡己經從初期的單一業(yè)務網絡進化為當前涵蓋各種無線通信技術、面向眾多應用行業(yè)、提供多樣化業(yè)務的智能化通信系統(tǒng)。利用它最終將實現(xiàn)任何人在任何時候、在任何地點與任何人進行任何內容的通信。在車載網技術蓬勃發(fā)展的同時，它們所面臨的安全傳輸問題也日益嚴峻，如何安全高效的傳輸數(shù)據(jù)始終是車載網能正常運行的關鍵。

車載網中無線終端接發(fā)設備體積較小，在計算或存儲能力、通信帶寬和電源供電時間方面的局限性，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絡。無線網絡環(huán)境較為復雜，許多攻擊行為都可以很隱蔽地進行而不易察覺，尤其是被動攻擊方法。與有線網絡相比，無線網絡所面臨的安全威脅更加嚴重。所有常規(guī)有線網絡屮存在的安全威脅和隱患都依然存在于無線網絡。無線網絡節(jié)點頻繁加入、退出以及不斷變化的網絡拓撲也給信息的安全傳輸帶來新的問題。

車載自組織網絡缺乏統(tǒng)一管理，車輛節(jié)點能在比較大的范圍內移動，且對等的各車輛節(jié)點協(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，為車內成員提供更豐富的服務[2]。所以，在車載網中尋找一條安全高效的信息傳輸路徑具有重大的現(xiàn)實意義。

2 相關研究現(xiàn)狀

由于VANET場景中節(jié)點的特殊性，該領域的路由算法一直是國內外學者們的研究熱點，前期學者對車載網路由算法做出的研究，主要分為單播路由和廣播路由。

最近幾年學者們提出車載網中的單播路由協(xié)議按照策略的不同，主要分為幾種：基于節(jié)點位置的路由、基于節(jié)點移動預測的路由、基于延時容忍的路由、基于錨點的路由、基于路邊設施的路由。

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

基于節(jié)點移動預測的路由，蔣若冰、朱燕民等[7]根據(jù)車輛移動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。車輛實時地更新信息以評估每輛車可延伸的覆蓋范圍，將數(shù)據(jù)包轉發(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會中繼選擇策略。該策略以移動節(jié)點對之間的歷史聯(lián)系記錄和最近相遇以來的經歷時間為基礎，估計消息的直接轉發(fā)剩余延遲，通過比較剩余延遲選擇合適的中繼節(jié)點。如果網絡內所有節(jié)點的狀態(tài)信息（如當前節(jié)點的位置信息、移動速度、移動方向、移動路徑和移動的目的位置等）能準確預測，則基于節(jié)點位置預測的路由算法理論上可以尋找到最優(yōu)的傳輸路徑。因為當節(jié)點的位置都已知時這就是一個求解最優(yōu)路徑的問題。

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

Di和Yuan等[14]為車載網中數(shù)據(jù)的轉發(fā)提出了一種混合的路由機制。該機制借助RSUs等路邊節(jié)點的應用來支持車內通信，車與RSUs通信和RSU之間的通信。當網絡中節(jié)點密度很大時使用網絡編碼來多播路由。應用MDS編碼和發(fā)送集局部拓撲信息來完成魯棒性通信。在節(jié)點稀疏的網絡采用存儲轉發(fā)的機會路由機制來解決發(fā)送時鏈路不連接的問題。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。按照簇的結構對目標區(qū)域內的路邊停放車輛進行管理，將要分發(fā)的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源路由到目標區(qū)域合適的停車簇，并采用訂閱/發(fā)布機制在停車簇一跳范圍內實現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)。Yuanjie和Yinsheng等[16]提出了一種基于車輛運行軌跡特征分析的RPT-GA 算法。該種路由算法需要網絡中部署耗費較大地路邊設施，不但極大增加了網絡的投資，而且數(shù)量受到限制。不同于耗費巨大的路邊設施，本項目考慮的靜態(tài)節(jié)點是與放置在車輛節(jié)點中一致的信息收發(fā)及存儲設備，其代價比部署路邊設施要小得多。

現(xiàn)實場景中有著各種各樣的因素會影響VANET網絡廣播協(xié)議性能，VANET網絡本身是一個相當復雜的網絡系統(tǒng)，擁有開放性質的、高速動態(tài)變化的、以及較大規(guī)模的網絡拓撲結構。許多學者針對不同車載網場景中的應用需求提出了多種相應的廣播算法。

基于時隙分配廣播。羅濤、李俊濤等提出了一種改進的算法（ACR-BA）[17]， ACR-BA算法設計了兩種短控制包，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)點集，并結合控制包認證機制在一個候選節(jié)點集中僅確定出唯一的轉發(fā)節(jié)點。然后，根據(jù)網絡負載狀況設計了一種基于單位基準時隙的自適應機制，設置盡量小的退避等待時間，提高信息廣播的實時性。最后，設置了針對短控制包和數(shù)據(jù)包的超時重傳保障機制，在保證算法實時性的基礎上最大限度地提高可靠性。

基于距離的廣播算法會選擇距離廣播節(jié)點更遠的節(jié)點作為下一跳中繼節(jié)點來轉發(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，也可以進一步控制網絡中冗余廣播信息的數(shù)量，提高網絡資源的利用效率[18]。Yang 和Qian等[19]提出了K度鄰居節(jié)點算法構建一個廣播節(jié)點集廣播緊急信息。

VANET場景中的通信安全方法也是學者們一直在研究問題。李嘉嘉[20]針對數(shù)據(jù)加密技術的概述以及計算機網絡安全中數(shù)據(jù)加密的實踐分析等方面進行研究以及分析。陳艾琳和李斌勇[21]圍繞一對多通信的隱私保護安全問題，針對通信過程中面臨的惡意攻擊風險，分析了攔截監(jiān)聽和中斷信息兩種主流攻擊方式。結合兩種方式的惡意攻擊特點，在分析RSA算法的加解密原理基礎上，結合Hash算法和通信消息的確認原理，提出了一種基于Hash算法的消息確認機制。

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設備，都能獲知自己的即時位置。此外，發(fā)送數(shù)據(jù)包的源節(jié)點知道目的節(jié)點的當前地理位置以便決定路由，每輛車都裝載有街道級的電子地圖。每個數(shù)據(jù)包設定含有字段： 源節(jié)點ID、目的節(jié)點ID、目的節(jié)點位置。

3.2 路由方法

本路由方法根據(jù)車輛的行駛方向將整個網絡劃分為相應的子網，選擇與目的節(jié)點同向的子網，找出源節(jié)點到目的節(jié)點的所有可能的路徑p1，p2……pn，對于每個pi計算它的代價，選擇最小的一條路徑。

算法1 選擇最小延時路徑算法

輸入：p1，p2……pn；

輸出：min{pi}。

1）對于每一條路徑pi，定義集合T，存放每條路徑的延時Ti；

2）從源節(jié)點Si開始；

3）對于每一個中繼節(jié)點Di；

4）判斷中繼節(jié)點Di是否擁塞；

5）如果是，則計算預期的延時；

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

7）否則，計算路徑的延時Ti；

8）比較集合T中的元素，記錄min{Ti}；

9）輸出pi。

4 模擬結果

模擬場景設置道路數(shù)為30，區(qū)域為3000m ×2000m，在每條道路上隨機生成一定數(shù)量的節(jié)點，節(jié)點選擇十字路口為目的區(qū)域，平均速度為30 km/h，節(jié)點數(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果，實驗時長為300s，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的頻率為10個每秒，模擬結果的評價以數(shù)據(jù)包的傳送率和端到端的延時兩參數(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)點數(shù)比較少時有最低的傳輸延時。這是因為利用洪泛方法傳輸數(shù)據(jù)，當節(jié)點數(shù)比較少時，產生的沖突少，減少了數(shù)據(jù)包在節(jié)點中的處理時間，也就減少了延時，但是這種方法丟包率高。本文的方法，隨著車輛節(jié)點的增加，數(shù)據(jù)包的傳輸延時都隨之減少。

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)點數(shù)的增多，節(jié)點間連接概率的增加使數(shù)據(jù)包的傳送率也隨之增加，但當節(jié)點數(shù)目超過250 時，節(jié)點間的干擾和碰撞急劇增加，這使數(shù)據(jù)包的傳送率降低。而這種方法都有遠高于采用洪泛方法的傳輸率。

5 結束語

車載自組織網絡由移動的車輛組成，道路交通狀況極大地影響著網絡中數(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中數(shù)據(jù)傳輸性能。模擬結果顯示本文提出的方法在傳輸延時，在數(shù)據(jù)傳輸率和端到端延時這兩項指標上要優(yōu)于洪泛方法。

基金項目：

江西省教育廳科學技術研究項目“車載網中多源預警信息快速傳輸方法研究”（項目編號：GJJ61678）。

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