《智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)安全》課件第8章

8.1

V2X概述

根據(jù)3GPP的定義，V2X（VehicletoEverything，車(chē)用無(wú)線通信技術(shù)）是將車(chē)輛與其他事物相連接的新一代信息通信技術(shù)，其中V代表車(chē)輛，X代表任何與車(chē)交互信息的對(duì)象，當(dāng)前X主要包含車(chē)、人、交通路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)等。

V2X主要包括以下應(yīng)用場(chǎng)景：V2N（VehicletoNetwork，車(chē)與互聯(lián)網(wǎng)連接）、V2V（VehicletoVehicle，車(chē)車(chē)互聯(lián)）、V2I（VehicletoInfrastructure，車(chē)路互聯(lián)）以及V2P（VehicletoPedestrian，車(chē)人互聯(lián)）等，即通過(guò)人、車(chē)、路、網(wǎng)絡(luò)的有效協(xié)同實(shí)現(xiàn)智能交通的目的。圖8．1為V2X的應(yīng)用場(chǎng)景。圖8．1

V2X的應(yīng)用場(chǎng)景

V2N是目前應(yīng)用最廣泛的車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，其主要功能是使車(chē)輛通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接到云服務(wù)器，再利用云服務(wù)器提供導(dǎo)航、娛樂(lè)和防盜等功能。圖8．2為V2N的一種應(yīng)用場(chǎng)景。

V2N主要是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與云端信息共享,車(chē)輛既可以將車(chē)輛、交通信息發(fā)送到云端指揮中心,云端也可以將廣播信息,如交通擁堵、事故情況等發(fā)送給某一地區(qū)相關(guān)車(chē)輛。圖8．2

V2N的應(yīng)用場(chǎng)景：車(chē)云互聯(lián)

V2V用于車(chē)輛之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)V2V，車(chē)輛可實(shí)時(shí)采集周邊車(chē)輛的速度、位置、方向以及告警等信息，此外，也可通過(guò)車(chē)輛間通信實(shí)現(xiàn)圖片、短信、音視頻等信息的實(shí)施交換功能。圖8．3為V2V的一種應(yīng)用場(chǎng)景。圖8．3

V2V的應(yīng)用場(chǎng)景：車(chē)車(chē)互聯(lián)

V2I是車(chē)輛與道路甚至其他基礎(chǔ)設(shè)施（如交通信號(hào)燈、路障等）進(jìn)行通信的應(yīng)用。通過(guò)V2I系統(tǒng)，車(chē)輛可獲取交通燈信號(hào)時(shí)序等道路管理信息、基于位置的車(chē)輛服務(wù)信息，主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)的信息服務(wù)、車(chē)輛的運(yùn)行監(jiān)控、電子收費(fèi)的管理等。

例如，車(chē)輛接近有交通信號(hào)燈的路口，紅燈即將亮起，V2I設(shè)備判斷車(chē)輛無(wú)法在綠燈時(shí)間內(nèi)通過(guò)此路口時(shí)，及時(shí)提醒駕駛員減速停車(chē)。這與基于攝像頭采集到紅燈提醒功能類(lèi)似，但是它的優(yōu)點(diǎn)是能與交通設(shè)施進(jìn)行通信，尤其是在無(wú)紅綠燈倒計(jì)時(shí)顯示屏的路口具有“預(yù)知”紅綠燈時(shí)間的作用，減少了駕駛員不必要的加速和急剎。圖8．4為V2I的一種應(yīng)用場(chǎng)景：紅燈預(yù)警。圖8．4

V2I應(yīng)用場(chǎng)景：紅燈預(yù)警

V2P是指行人使用移動(dòng)電子設(shè)備，如便攜式電腦、智能手機(jī)或其他手持設(shè)備與車(chē)載電子設(shè)備之間進(jìn)行通信，重要應(yīng)用場(chǎng)景是車(chē)輛給道路上行人或非機(jī)動(dòng)車(chē)發(fā)送安全警告。

行人穿越道路時(shí)，道路行駛車(chē)輛與人進(jìn)行信號(hào)交互，當(dāng)檢測(cè)到具有碰撞隱患時(shí)，車(chē)輛會(huì)收到圖片和聲音提示駕駛員，同樣行人收到電子設(shè)備屏幕圖像或聲音提示。這項(xiàng)技術(shù)非常實(shí)用，行人經(jīng)過(guò)正在倒車(chē)出庫(kù)的汽車(chē)時(shí)，由于駕駛員視覺(jué)盲區(qū)未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)周邊的人群（尤其是玩耍的兒童），很容易發(fā)生交通事故。這與借助全景影像進(jìn)行泊車(chē)功能類(lèi)似。圖8．5為V2P的一種應(yīng)用場(chǎng)景：碰撞預(yù)警。圖8．5

V2P應(yīng)用場(chǎng)景：碰撞預(yù)警

8.2

V2X技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

V2X技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)目前主要包括DSRC和LTE

V兩種。DSRC主要基于IEEE802.11p與IEEE1609系列標(biāo)準(zhǔn)，是一種專(zhuān)門(mén)用于V2V和V2I的通信標(biāo)準(zhǔn)，主要由美國(guó)、日本主導(dǎo)；LTE

V是基于LTE的智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)協(xié)議，由3GPP主導(dǎo)制定規(guī)范。表8－1給出了DSRC及LTE

V的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。

8.2.1

DSRC技術(shù)介紹

1.DSRC定義

DSRC（DedicatedShortRangeCommunications，專(zhuān)用短程通信）技術(shù)是專(zhuān)門(mén)用于車(chē)輛通信的技術(shù)。DSRC本質(zhì)上是IEEE802.11的擴(kuò)充延伸，符合智能交通系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用，應(yīng)用層包括高速車(chē)輛之間以及車(chē)輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)交換。在物理層，DSRC技術(shù)基于正交頻分復(fù)用，為適應(yīng)車(chē)輛高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，信號(hào)帶寬定義為10MHz。

一方面可以減少高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下的通信時(shí)延，提高數(shù)據(jù)交換能力，同時(shí)802.11p引入了IEEE802.11e中的EDCA機(jī)制來(lái)解決接入優(yōu)先級(jí)問(wèn)題，高優(yōu)先級(jí)的警車(chē)、救護(hù)車(chē)可以優(yōu)先接入，其他普通車(chē)輛IP數(shù)據(jù)次優(yōu)先級(jí)，保障了特種車(chē)輛的優(yōu)先權(quán)。表8－2給出了DSRC技術(shù)和其他無(wú)線通信技術(shù)的比較。

由表8－2可以看出，DSRC在性能上優(yōu)于WiFi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線通信技術(shù)；與WiMax技術(shù)相比，DSRC在性能上不相上下，但是在實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和成本上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比WiMax具有優(yōu)勢(shì)。

DSRC的發(fā)展為車(chē)載環(huán)境下的無(wú)線通信提供了依據(jù)。ISO/TC204DSRC為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),其中包含了中長(zhǎng)距離通信標(biāo)準(zhǔn)。歐洲CEN/TC278DSRC標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)是：5.8GHz被動(dòng)式微波通信，中等通信速率(500Kb/s上行,250Kb/s下行)，調(diào)制方式為ASK和BPSK。美國(guó)的ASTM和IEEE標(biāo)準(zhǔn)，頻率均為5.9GHz。在ASTM標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了IEEE802.11p協(xié)議組，包括1609.1～1609.4標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)在車(chē)載環(huán)境下達(dá)到3～27Mb/s的傳輸速率，大大改善了高速移動(dòng)環(huán)境下的傳輸效果。

目前使用較多的ASTME2213

03協(xié)議是基于802.11的改進(jìn)協(xié)議，作為向802.11p過(guò)渡的DSRC協(xié)議，其在MAC層和物理層上做出了一系列的規(guī)定和改進(jìn)，使其更適用于車(chē)載環(huán)境以及ITS應(yīng)用。各國(guó)DSRC使用的頻段見(jiàn)圖8．6。圖8．6

各國(guó)DSRC使用的頻段

2.DSRC通信機(jī)制

DSRC系統(tǒng)主要由RSU（RoadSideUnit，路邊單元）、OBU（OnBoardUnit，車(chē)載單元）、控制中心以及一些輔助設(shè)備組成，而DSRC通信協(xié)議是RSU與OBU實(shí)現(xiàn)無(wú)線短程通信、保證信息安全可靠傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)。路邊設(shè)備包括射頻部分（如天線、收發(fā)機(jī)等）、控制單元和顯示設(shè)備等。車(chē)載單元包括射頻部分和控制單元，視具體應(yīng)用需求可配置車(chē)載裝置和顯示設(shè)備等。路邊設(shè)備、控制中心和相關(guān)輔助設(shè)備形成路邊網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)控制中心與其他網(wǎng)絡(luò)相連，進(jìn)行信息交換，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收費(fèi)、地理信息下載和信息發(fā)布等功能。DSRC通信系統(tǒng)模型如圖8．7所示。圖8．7

DSRC通信系統(tǒng)模型

RSU又稱路旁單元、車(chē)道單元、車(chē)道設(shè)備,主要是指車(chē)道通信設(shè)備。RSU參數(shù)主要有頻率、發(fā)射功率、通信接口等。RSU是OBU的讀寫(xiě)控制器，由加密電路、編解碼器電路和微波通信控制器等組成，以DSRC通信協(xié)議的數(shù)據(jù)交換方式和微波無(wú)線傳遞手段實(shí)現(xiàn)移動(dòng)車(chē)載設(shè)備與路側(cè)設(shè)備之間進(jìn)行安全可靠的信息交換的目的。

以定點(diǎn)通信、被動(dòng)傳輸為例，DSRC系統(tǒng)通信過(guò)程大體可以分為建立連接、信息交換、釋放連接三個(gè)階段。

第一階段：建立連接。

第二階段：信息交換。

第三階段：連接釋放。

8.2.2

LTE

V技術(shù)介紹

1.LTE

V定義

LTE

V（LongTermEvolution

Vehicle是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的V2X技術(shù)，是基于TD

LTE的智能交通系統(tǒng)解決方案，屬于LTE后續(xù)演進(jìn)技術(shù)的重要應(yīng)用分支。

LTE

V本身并不具備主動(dòng)安全功能，需傳輸基于北斗/GPS導(dǎo)航等傳感器的數(shù)據(jù)。要實(shí)現(xiàn)車(chē)輛主動(dòng)安全功能，需至少配備北斗/GPS導(dǎo)航，LTE

V通信模塊，信息處理、運(yùn)算設(shè)備。車(chē)輛的位置、速度、行進(jìn)方向、加速度數(shù)據(jù)由北斗/GPS導(dǎo)航產(chǎn)生，同時(shí)可從CAN總線采集其他傳感器的數(shù)據(jù)。若要實(shí)現(xiàn)V2I，路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施也要配備LTE

V通信模塊，信息處理、運(yùn)算設(shè)備可實(shí)現(xiàn)交通流量控制、紅綠燈車(chē)速引導(dǎo)、交叉路口碰撞避免提醒等?；贚TE

V的V2X通信機(jī)制示意圖如圖8．8所示。圖8．8

基于LTE

V的V2X通信機(jī)制示意圖

LTE

V系統(tǒng)設(shè)備組成包含了UE（UserEquipment，用戶終端）、RSU、eNB（ETURANNodeB，

ETURAN基站）三部分，具體組成如圖8．9所示。UE包含了車(chē)載設(shè)備、個(gè)人用戶便攜設(shè)備等。RSU提供了V2I服務(wù)，處于eNB和UE之間，承擔(dān)著雙方的數(shù)據(jù)通信任務(wù)。圖8．9

LTE－V系統(tǒng)設(shè)備組成示意圖

2.LTE-V通信方式

LTE-V系統(tǒng)的通信方式采用了“廣域集中式蜂窩通信”(LTE-V-Cell,LTE-V蜂窩)和“短程分布式直通通信”(LTE-V-Direct,LTE-V直通)兩種技術(shù)方案,分別對(duì)應(yīng)基于LTE-Uu(UTRANUE,接入網(wǎng)-用戶終端)和PC5(ProSeDirectCommunication,ProSe直接通信)接口的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖8．10所示。圖8．10

LTE

V的分類(lèi)

3.LTE

V應(yīng)用場(chǎng)景

除可供導(dǎo)航、娛樂(lè)等傳統(tǒng)車(chē)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)外，

LTE－V2X可實(shí)現(xiàn)車(chē)車(chē)、車(chē)路、車(chē)人之間實(shí)時(shí)、高效、可靠的雙向信息交互和共享，達(dá)到智能協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛主動(dòng)安全，并提高行車(chē)效率。車(chē)輛主動(dòng)安全為L(zhǎng)TE－V的核心應(yīng)用，3GPP發(fā)布的LTE－V需求規(guī)范中，給出了27個(gè)典型應(yīng)用，主要是基于V2V、V2I的主動(dòng)安全類(lèi)業(yè)務(wù)。表8－3列出了3GPP需求規(guī)范中給出的27個(gè)LTE－V的典型應(yīng)用；表8－4列出了LTE－V典型應(yīng)用案例詳解。

8.3

V2X安全

8.3.1

V2X安全概述

1.V2X通信的安全需求

V2X通信的安全性主要從五個(gè)方面來(lái)考慮，分別是網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的身份可認(rèn)證性、隱私性、消息完整性、可用性、消息不可否認(rèn)性等。

（1）網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的身份可認(rèn)證性，V2X中必須實(shí)現(xiàn)車(chē)載節(jié)點(diǎn)、RSU、后臺(tái)服務(wù)器的身份認(rèn)證機(jī)制，即提供有效的方法以驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)聲稱的身份信息是否真實(shí)。主要目的是排除外部敵手對(duì)網(wǎng)絡(luò)的攻擊和實(shí)現(xiàn)用戶訪問(wèn)控制。

（2）隱私性。由于交通系統(tǒng)的特性，V2X中包含大量用戶隱私信息。

（3）消息完整性。要確保V2X消息在傳遞過(guò)程中不受任何未經(jīng)授權(quán)的插入、重放、篡改，即使處在消息的多跳轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的內(nèi)部敵手也無(wú)法破壞消息的完整性。

（4）可用性。由于交通系統(tǒng)的固有屬性，V2X多項(xiàng)應(yīng)用，如事故告警、協(xié)作駕駛等對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能的可靠性和實(shí)時(shí)性提出了較高的要求，VANET安全機(jī)制不僅要具有較高的效率（如簽名的快速驗(yàn)證），以滿足系統(tǒng)的性能需求，而且要對(duì)各種攻擊手段具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地檢測(cè)、抵御各種攻擊，確保V2X各種系統(tǒng)功能正常運(yùn)行，防止系統(tǒng)失效或崩潰。

（5）消息不可否認(rèn)性。V2X中內(nèi)部敵手注入虛假數(shù)據(jù)的攻擊對(duì)系統(tǒng)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此實(shí)現(xiàn)消息的不可否認(rèn)性至關(guān)重要。任何網(wǎng)絡(luò)實(shí)體都無(wú)法否認(rèn)曾經(jīng)發(fā)送的消息，系統(tǒng)應(yīng)該提供可審計(jì)性，用于節(jié)點(diǎn)聲譽(yù)管理、攻擊檢測(cè)與惡意節(jié)點(diǎn)懲罰機(jī)制。

2.V2X安全威脅分析

按照節(jié)點(diǎn)身份不同，V2X攻擊者可以分為內(nèi)部攻擊者和外部攻擊者。內(nèi)部攻擊者指V2X正常網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的攻擊者，內(nèi)部攻擊者的特點(diǎn)是經(jīng)過(guò)CA（CertificateAuthority，證書(shū)認(rèn)證機(jī)構(gòu)）的認(rèn)證，擁有CA分發(fā)的證書(shū)和密鑰，能夠執(zhí)行簽名和加解密算法，為發(fā)送的消息生成合法簽名。內(nèi)部攻擊者可分為兩類(lèi)：一是惡意用戶通過(guò)更改車(chē)載節(jié)點(diǎn)軟硬件實(shí)施攻擊行為的情況；二是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳播惡意代碼，或者在車(chē)輛維修保養(yǎng)時(shí)植入惡意代碼，在用戶不知情的情況下車(chē)載節(jié)點(diǎn)被入侵，從而發(fā)起攻擊的情況。外部攻擊者指不具有合法身份、不擁有系統(tǒng)安全參數(shù)的攻擊者。

幾種常見(jiàn)的、易于實(shí)施的V2X攻擊總結(jié)如下：

（1）貪婪的駕駛者：具有自私性的駕駛者為了自身利益發(fā)起的攻擊。

（2）竊取隱私的監(jiān)聽(tīng)者：以被動(dòng)攻擊為手段，以獲得用戶隱私為目的發(fā)起的攻擊。

（3）物理攻擊：由于RSU一般部署在無(wú)人值守的戶外開(kāi)放環(huán)境，因此容易受到各種物理攻擊，導(dǎo)致內(nèi)部數(shù)據(jù)被竊取，或被植入惡意的軟硬件模塊，從而間接危害V2I通信的安全和隱私保護(hù)屬性。

8.3.2

V2X安全案例分析：基于V2X通信的信號(hào)嗅探與位置跟蹤

2015年，來(lái)自研究機(jī)構(gòu)SecurityInnovation的JonathanPetit和荷蘭特文特大學(xué)的DjurrreBroekhuis等人在BlackHatEurope上發(fā)表了一篇論文：ConnectedVehicles：SurveillanceThreatandMitigation，討論了基于V2X通信的智能交通系統(tǒng)面臨的安全威脅，以及如何利用V2X的脆弱性部署嗅探基站，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)具備V2X通信功能汽車(chē)的位置跟蹤。下面將分析他們的研究成果，證實(shí)對(duì)V2X通信進(jìn)行攻擊的可行性和有效性。圖8．11為跟蹤攻擊模型。圖8．11

跟蹤攻擊模型

1.攻擊設(shè)置

為了驗(yàn)證車(chē)輛對(duì)V2X通信隱私的影響,研究人員部署了兩種不同類(lèi)型的硬件(部署在車(chē)上的硬件和部署在路旁的硬件)。首先,將一個(gè)發(fā)射基站安裝在車(chē)上,發(fā)射基站將發(fā)送攻

擊者可以嗅探的V2X信息。其次,在路邊部署嗅探基站以嗅探V2X信息并利用這些信息追蹤車(chē)輛。

Nexcom設(shè)備由車(chē)輛的12V連接器供電，但是，這意味著一旦車(chē)輛轉(zhuǎn)向，計(jì)算機(jī)的電源將被切斷并突然關(guān)閉，為防止這種情況發(fā)生，研究人員增加了電池緩沖器和電池充電器。完整的設(shè)置如圖8．12所示，車(chē)載計(jì)算機(jī)在右側(cè)，電池充電器和電池本身在左側(cè)，所有設(shè)備都被擰到安全板上，安全板可以牢固地放置在車(chē)輛的后備箱中。圖8．12

發(fā)射基站設(shè)置

嗅探基站部署在交叉路口，因?yàn)檫@些地點(diǎn)在有效距離范圍內(nèi)能夠嗅探數(shù)量相對(duì)較多的帶有V2X功能的車(chē)輛，并且從不同的方向可以看到連接到路口的道路。當(dāng)然，如果在嗅探基站和被嗅探車(chē)輛之間沒(méi)有交叉路口，那么在車(chē)輛到達(dá)嗅探范圍之前，車(chē)輛有可能轉(zhuǎn)彎到不同的道路上，這就有一些推論。例如，如果攻擊者可以觀察到兩個(gè)非連續(xù)的交叉路口，并且在某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)先在第一個(gè)交叉路口，后在第二個(gè)交叉路口觀察到車(chē)輛，則攻擊者可以合理推斷車(chē)輛的行駛路線并決定在哪個(gè)時(shí)間段開(kāi)始嗅探。如圖8．13所示，研究人員的嗅探基站部署在圖中A、B兩個(gè)交叉路口。圖8．13

嗅探基站部署選擇

為了盡可能好地覆蓋交叉路口，需要將嗅探站放置在交叉路口附近，并且要放置在不受安全措施保護(hù)的地方，最好通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接，以便進(jìn)行遠(yuǎn)程日志檢索和運(yùn)行狀態(tài)檢查。在交叉路口A，嗅探基站和交叉路口中心之間約有75m的距離，