葛明珠 舒长兴

摘 要：车载自组织网络（Vehicular Ad Hoc Network，VANET）是一种将传感器技术、短距离移动通信及信息处理技术相结合的一种移动自组织网络（Mobile Ad Hoc Network，MANET）。然而，移动无线网络传输媒介固有的开放性、终端资源的受限性、终端的移动性以及网络拓扑结构的动态性，使得移动无线网络面临着较大的安全风险。如何保证在网络中进行安全高效的传输数据是我们要解决的问题。论文提出一种车联网中的安全高效路由方法来提高数据包的传输效率。模拟实验显示，此方法在数据包的递送率和端到端延时方面要优于洪泛路由方法。

关键词：车载网；路由；信息安全

中图分类号：TP393 文献标识码：A

1 引言

“互联网+”时代，智能汽车、无人驾驶汽车的研发，使得汽车不仅仅是一个代步工具，还是集办公、娱乐为一体的服务平台。智能化汽车已经成为最热门的研究领域之一，并将在未来多年继续成为全世界最关注的领域之一。车载网起源于无线网络，无线网络己经从初期的单一业务网络进化为当前涵盖各种无线通信技术、面向众多应用行业、提供多样化业务的智能化通信系统。利用它最终将实现任何人在任何时候、在任何地点与任何人进行任何内容的通信。在车载网技术蓬勃发展的同时，它们所面临的安全传输问题也日益严峻，如何安全高效的传输数据始终是车载网能正常运行的关键。

车载网中无线终端接发设备体积较小，在计算或存储能力、通信带宽和电源供电时间方面的局限性，使得原来在有线环境下的许多协议不能直接用于無线网络。无线网络环境较为复杂，许多攻击行为都可以很隐蔽地进行而不易察觉，尤其是被动攻击方法。与有线网络相比，无线网络所面临的安全威胁更加严重。所有常规有线网络屮存在的安全威胁和隐患都依然存在于无线网络。无线网络节点频繁加入、退出以及不断变化的网络拓扑也给信息的安全传输带来新的问题。

车载自组织网络缺乏统一管理，车辆节点能在比较大的范围内移动，且对等的各车辆节点协同传输数据。如何减少传输数据的冲突，减少数据包的丢失、安全高效地将数据传输到目的节点是需要解决的问题[1]。此外，车辆不仅可以跟别的车辆通信，它还可以跟路边单元（Road Side Units）通信，通过路边单元接入主干网，为车内成员提供更丰富的服务[2]。所以，在车载网中寻找一条安全高效的信息传输路径具有重大的现实意义。

2 相关研究现状

由于VANET场景中节点的特殊性，该领域的路由算法一直是国内外学者们的研究热点，前期学者对车载网路由算法做出的研究，主要分为单播路由和广播路由。

最近几年学者们提出车载网中的单播路由协议按照策略的不同，主要分为几种：基于节点位置的路由、基于节点移动预测的路由、基于延时容忍的路由、基于锚点的路由、基于路边设施的路由。

基于节点位置的路由通过节点间互相交换各自的当前状态数据包来获取各自的实时状态信息[3]。该策略在选择下一跳中继时，优先选择与目的节点位置距离更近的节点来中继数据包[4]，如Chi等[5]为基于节点位置信息的路由提出了相关的链路质量预测参数。Kaiwartya[6]基于高速公路环境提出了一种根据节点位置来选择路由的方法。这些路由策略是根据当前节点、邻居节点和目的节点的位置信息来做路由选择，这需要一些车载设备和相应服务的支持，如GPS设备、位置服务等。

基于节点移动预测的路由，蒋若冰、朱燕民等[7]根据车辆移动轨迹提出一种新的覆盖图来维持所有曾遭遇的车辆的连接。车辆实时地更新信息以评估每辆车可延伸的覆盖范围，将数据包转发到这些覆盖范围较大的车辆来提高数据包成功传送的概率。陶桦和冯富琴等[8]提出了一种基于车辆运行轨迹特征分析的RPT-GA 算法。贾建斌、徐明等[9]提出一种基于剩余延迟比较的机会中继选择策略。该策略以移动节点对之间的历史联系记录和最近相遇以来的经历时间为基础，估计消息的直接转发剩余延迟，通过比较剩余延迟选择合适的中继节点。如果网络内所有节点的状态信息（如当前节点的位置信息、移动速度、移动方向、移动路径和移动的目的位置等）能准确预测，则基于节点位置预测的路由算法理论上可以寻找到最优的传输路径。因为当节点的位置都已知时这就是一个求解最优路径的问题。

基于延时容忍的路由利用一些路由信息（跳数、延时、带宽等）在一定的约束条件（最小延时、最小代价等）下寻找最优解的过程[10，11]。基于锚点的路由，其主要的策略是转发数据包时沿着被定义为锚点的地理位置点来进行传输数据包。网络中锚点的确定可由源节点计算也可由中继节点计算，选择数据包的下一跳中继节点，其判决是以锚点位置为依据[12]，而不是以目的节点位置来判断[13]。

Di和Yuan等[14]为车载网中数据的转发提出了一种混合的路由机制。该机制借助RSUs等路边节点的应用来支持车内通信，车与RSUs通信和RSU之间的通信。当网络中节点密度很大时使用网络编码来多播路由。应用MDS编码和发送集局部拓扑信息来完成鲁棒性通信。在节点稀疏的网络采用存储转发的机会路由机制来解决发送时链路不连接的问题。赵慧、刘明等[15]提出了VANETs中基于停放车辆辅助的数据分发策略PADD。按照簇的结构对目标区域内的路边停放车辆进行管理，将要分发的数据从数据源路由到目标区域合适的停车簇，并采用订阅/发布机制在停车簇一跳范围内实现数据分发。Yuanjie和Yinsheng等[16]提出了一种基于车辆运行轨迹特征分析的RPT-GA 算法。该种路由算法需要网络中部署耗费较大地路边设施，不但极大增加了网络的投资，而且数量受到限制。不同于耗费巨大的路边设施，本项目考虑的静态节点是与放置在车辆节点中一致的信息收发及存储设备，其代价比部署路边设施要小得多。

现实场景中有着各种各样的因素会影响VANET网络广播协议性能，VANET网络本身是一个相当复杂的网络系统，拥有开放性质的、高速动态变化的、以及较大规模的网络拓扑结构。许多学者针对不同车载网场景中的应用需求提出了多种相应的广播算法。

基于时隙分配广播。罗涛、李俊涛等提出了一种改进的算法（ACR-BA）[17]， ACR-BA算法设计了两种短控制包，有效地抑制了传输冗余。为了降低竞争信道的碰撞概率，基于地理位置划分了候选节点集，并结合控制包认证机制在一个候选节点集中仅确定出唯一的转发节点。然后，根据网络负载状况设计了一种基于单位基准时隙的自适应机制，设置尽量小的退避等待时间，提高信息广播的实时性。最后，设置了针对短控制包和数据包的超时重传保障机制，在保证算法实时性的基础上最大限度地提高可靠性。

基于距离的广播算法会选择距离广播节点更远的节点作为下一跳中继节点来转发数据包，通过减少数据广播传输过程中的跳数来降低广播数据包的传输延迟。此外，也可以进一步控制网络中冗余广播信息的数量，提高网络资源的利用效率[18]。Yang 和Qian等[19]提出了K度邻居节点算法构建一个广播节点集广播紧急信息。

VANET场景中的通信安全方法也是学者们一直在研究问题。李嘉嘉[20]针对数据加密技术的概述以及计算机网络安全中数据加密的实践分析等方面进行研究以及分析。陈艾琳和李斌勇[21]围绕一对多通信的隐私保护安全问题，针对通信过程中面临的恶意攻击风险，分析了拦截监听和中断信息两种主流攻击方式。结合两种方式的恶意攻击特点，在分析RSA算法的加解密原理基础上，结合Hash算法和通信消息的确认原理，提出了一种基于Hash算法的消息确认机制。

3 路由方法

3.1 假定条件

该方法假定VANET 中的每辆车都装有GPS设备，都能获知自己的即时位置。此外，发送数据包的源节点知道目的节点的当前地理位置以便决定路由，每辆车都装载有街道级的电子地图。每个数据包设定含有字段： 源节点ID、目的节点ID、目的节点位置。

3.2 路由方法

本路由方法根据车辆的行驶方向将整个网络划分为相应的子网，选择与目的节点同向的子网，找出源节点到目的节点的所有可能的路径p1，p2……pn，对于每个pi计算它的代价，选择最小的一条路径。

算法1 选择最小延时路径算法

输入：p1，p2……pn；

输出：min{pi}。

1）对于每一条路径pi，定义集合T，存放每条路径的延时Ti；

2）从源节点Si开始；

3）对于每一个中继节点Di；

4）判断中继节点Di是否拥塞；

5）如果是，则计算预期的延时；

6）如果该延时比给定的阈值大，则抛弃该路径pi，换下一路径pi+1转到步骤2）；

7）否则，计算路径的延时Ti；

8）比较集合T中的元素，记录min{Ti}；

9）输出pi。

4 模拟结果

模拟场景设置道路数为30，区域为3000m ×2000m，在每条道路上随机生成一定数量的节点，节点选择十字路口为目的区域，平均速度为30 km/h，节点数目范围是50-300，无线传输范围是250m，模拟次数为5次，最后5次的平均值作为最终结果，实验时长为300s，节点发送数据包的频率为10个每秒，模拟结果的评价以数据包的传送率和端到端的延时两参数来衡量。

如图1所示，在两种方法中，采用洪泛方法传输數据，在节点数比较少时有最低的传输延时。这是因为利用洪泛方法传输数据，当节点数比较少时，产生的冲突少，减少了数据包在节点中的处理时间，也就减少了延时，但是这种方法丢包率高。本文的方法，随着车辆节点的增加，数据包的传输延时都随之减少。

如图2所示了在数据包的传输率上，本文的方法随着节点数的增多，节点间连接概率的增加使数据包的传送率也随之增加，但当节点数目超过250 时，节点间的干扰和碰撞急剧增加，这使数据包的传送率降低。而这种方法都有远高于采用洪泛方法的传输率。

5 结束语

车载自组织网络由移动的车辆组成，道路交通状况极大地影响着网络中数据的安全传输。本文提出一种VANET中的安全高效路由方法来提高车载网中数据传输性能。模拟结果显示本文提出的方法在传输延时，在数据传输率和端到端延时这两项指标上要优于洪泛方法。

基金项目：

江西省教育厅科学技术研究项目“车载网中多源预警信息快速传输方法研究”（项目编号：GJJ61678）。

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