车联网中数据传输与隐私保护关键技术研究

发布时间：2020-03-30 16:12

【摘要】：本文结合近些年有关车联网的研究热点和挑战,以车联网中数据的有效传输和隐私保护等需求为出发点,媒体接入控制(Medium Access Control,MAC)协议、假名机制和跨层协作调度等方面进行深入研究,主要的创新点和贡献可以归纳为以下几个方面:1.车联网MAC层性能分析与优化设计在车联网中,MAC层的设计对实现车联网中数据的有效传输发挥着重要作用。本文针对IEEE 802.1 lp/1609.4和分布式时分多址接入(Time Division Multiple Access,TDMA)MAC协议下的传输性能进行分析,并结合CSMA和TDMA的优点,提出了多信道协作的基于载波监听的时分接入(Carrier Sensing with Time Division Multiple Access,CS-TDMA)协议。在CS-TDMA中,节点通过CSMA的方式来预留专用时隙,一旦节点成功预留到时隙后,在一定区域内将采用TDMA的方式来周期性广播安全类消息。同时,每个节点会根据周围车辆的密度来进行自适应信道切换,以此提高安全类消息的传输质量和信道资源的利用率。通过理论分析与仿真结果,本文证明了CS-TDMA协议能够更好的支持车联网中安全类消息的传输效率和可靠性,并有效的提高了信道资源的利用效率。2.抵御MAC层连接攻击的假名机制研究车联网中数据传输的隐私保护通常依赖于假名机制和假名更换策略来实现。现有的假名机制极少考虑对通信开销和数据传输性能的影响,以及与MAC层操作之间的兼容性。本文发现在车联网开放的环境下,窃听者可以根据节点在MAC层的操作对其新旧假名进行连接,实现对车辆身份和行驶轨迹的隐私泄露。本文分析了在基于载波监听多址接入(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)和TDMA的MAC机制下,通过节点的接入特征对其进行假名连接的可行性,并提出一种新的隐私攻击方案——通过MAC层感知的假名连接攻击。本文进一步提出抵御MAC层连接攻击的假名(MAC layer Attack Resistant Pseudonym,MARP)机制,以此研究在全自治的分布式假名机制中,节点可以取得的隐私性能。基于平均场理论,作者对MARP机制中节点进行假名更换的过程进行建模,对节点的假名年龄、匿名集大小和敌手连续追踪时间进行量化分析。仿真结果验证了分析模型的准确性,并证实了MARP机制可以有效抵御MAC层假名连接攻击,保证车辆节点的位置隐私。同时,MARP机制带来了可以容忍的通信开销,提高了车辆节点安全类消息传输的可靠性。3.基于SDN的信道与假名资源协作管理研究为了满足车联网中数据传输的QoS和隐私保护需求,信道资源和假名资源的调度需要协作和有效进行。本文提出利用SDN实现对车联网中不同层级网络资源的协作调度和按需分配。本文提出了基于软件定义的车联网架构,并在此架构上提出了基于MAC层感知的假名(MAC layer Aware Pseudonym,MAP)机制。在MAP机制中,本地RSU云作为路边OpenFlow的交换机,为车辆节点进行多信道资源和假名资源的协作调度。本地RSU云根据车辆的密度和移动性为车辆实时的进行信道资源的更新,避免传输碰撞的发生,保证安全类消息传输的QoS需求;同时通过计算车辆节点在混淆区域能够取得的隐私质量来动态的决策它们是否需要更换假名和信道资源。通过大量安全分析和仿真,结果证明MAP机制可以提高车联网中假名发布的效率,显著增强了车辆的位置隐私,并保证了安全类消息的传输效率和可靠性。
【图文】：

作、节点的传输过程和分发机制进行了规定，ＩＥＥＥ邋１６０９系列主要关注上层操作。它逡逑们共同组成了车辆环境下的车载环境下的无线接入（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋Ａｃｃｅｓｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ逡逑Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，，ＷＡＶＥ）标准。ＷＡＶＥ协议栈标准如图１－２所示，其中ＩＥＥＥ邋１６０９．０丨１９！逡逑宏观描述了邋ＷＡＶＥ协议体系的整体架构和车载环境下多信道ＷＡＶＥ终端需要的服逡逑务。ＩＥＥＥ邋１６０９．１【２Ｑ］描述了邋ＷＡＶＥ系统中控制消息的格式和数据存储格式，规定了逡逑资源管理的控制流程，定义了应用注册、管理以及车载设备资源存取的标准接口。逡逑ｆｆｉＥＥ邋１６０９．２［２１］定义了基于公钥基础设施（Ｐｕｂｌｉｃ邋Ｋｅｙ邋Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＰＫＪ）的证书管逡逑理体系，主要考虑安全（ｓｅｃｕｒｉｔｙ）相关的业务和包括签名、加密和认证等相关操作逡逑４逡逑

１．４课题的研究意义逡逑车联网中数据传输尤其是安全类（ｓａｆｅｔｙ－ｃｒｉｔｉｃａｌ）消息的分发模型和ＱｏＳ需求与逡逑其他移动网络中的数据传输均有所不同。安全类消息通常需要每个车辆节点以周期逡逑性广播的方式进行基于地域的信息传递，并且要求极低的延迟和高可靠的传输。在逡逑节点密度较高的情况下，这种高频率的广播会出现高延迟和信道拥塞的问题。ＭＡＣ逡逑协议决定了节点在无线信道内的接入方式和信道资源的使用效率，对传输性能起到逡逑了关键性影响。现存的ＭＡＣ机制中，基于竞争的机制例如ＩＥＥＥ邋８０２．１１ｐ难以支持交逡逑９逡逑
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP309;U495

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本文编号：2607763