Đồ án tốt nghiệp Đại học
Mục lục
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i
MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii
KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT .........................................................................iv
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................... viii
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET.......................................................2
1.1 Giới thiệu ..................................................................................................................2
1.2 Tổng quan về mô hình VANET ..............................................................................6
1.2.1 Kiến trúc Layers .....................................................................................................6
1.2.2 Cấu trúc hệ thống trong mạng VANET ..................................................................7
1.3 Truyền thông trong mạng VANET .........................................................................9
1.3.1 Truyền thông giữa các xe ( V2V-Vehicles to vehicles) ...........................................9
1.3.2 Truyền thông của xe đến các thiết bị bên đường (V2I -Vehicles to
infrastructures) ...............................................................................................................10
1.3.3 Truyền thông dựa trên định tuyến .........................................................................11
1.4 Các thách thức và yêu cầu bảo mật trong mạng VANET ...................................12
1.4.1 Các thách thức ......................................................................................................12
1.4.2 Các yêu cầu bảo mật cho VANET ......................................................................14
1.5 Ứng dụng ................................................................................................................15
1.6 Kết luận chương 1 .................................................................................................16
CHƯƠNG 2: BẢO MẬT TRONG MẠNG VANET .................................................18
2.1 Khái quát về bảo mật ............................................................................................ 18
2.1.1 Khái niệm về bảo mật thông tin ...........................................................................18
2.1.2 Bảo mật trong mạng VANET ...............................................................................18
2.1.3 Bảo mật hệ thống VANET theo kiến trúc phân cấp ..............................................20
2.2 Các mối đe dọa của bảo mật ..................................................................................22
2.3 Các cuộc tấn công trong VANET ..........................................................................24
2.3.1 Các cuộc tấn công trong VANET ........................................................................24
2.3.2 Các lớp tấn công ....................................................................................................27
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
ii
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Mục lục
2.4 Các giải pháp bảo mật trong VANET .................................................................36
2.4.1 Các thuộc tính hỗ trợ bảo mật của VANET .......................................................36
2.4.2 Giải pháp đề xuất cho bảo mật ............................................................................37
2.5 Kết luận chương 2 .................................................................................................43
CHƯƠNG 3: TẤN CÔNG TỪ CHỐI DỊCH VỤ TRONG MẠNG VANET .........44
3.1 Khái niệm tấn công từ chối dịch vụ .....................................................................44
3.1.1 Phân loại các cuộc tấn công DOS trong VANET ..................................................44
3.1.2 Các mức độ tấn công DOS trong VANET ........................................................... 46
3.2 Giải pháp ngăn tấn công DOS ..............................................................................50
3.2.1 Kiến trúc hệ thống ................................................................................................ 50
3.2.2 Ý tưởng và những thách thức chủ yếu..................................................................51
3.2.3 Mô hình bảo vệ DOS ............................................................................................ 52
3.3 Đánh giá và phân tích............................................................................................ 59
3.3.1 Kịch bản ................................................................................................................59
3.3.2 Đánh giá và phân tích ........................................................................................... 61
3.4 Kết luận chương 3..................................................................................................69
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .........................70
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................71
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
iii
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Kí hiệu các cụm từ viết tắt
KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
Nghĩa Tiếng Anh
Từ viết tắt
ACK
Nghĩa Tiếng Việt
Acknowledgement
Xác nhận
AU
Application Unit
Đơn vị ứng dụng
AP
Access Point
Điểm truy cập
BSS
Base Service Set
Điểm dịch vụ cơ bản
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
BF
Bloom Filter
Bộ lọc Bloom
CA
Certificate Authorities
Thẩm quyền chứng nhận
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CLRs
Certificate Revocation List
Danh sách chứng nhận bị thu hồi
DSRC
Dedicated Short Range
Communications
Giao tiếp dành riêng phạm vi ngắn
Denial of Service
Từ chối dịch vụ
Distributed Denial of Service
Từ chối dịch vụ phân tán
EDR
Event Data Recorder
Máy ghi dữ liệu
ELP
Electronic License Plate
Giấy phép điện tử
GPS
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
GSM
Global System for Mobile
communications
Hệ thống truyền thông di động toàn
cầu
GPRS
General Packet Radio Service
Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp
HSDPA
High Speed Down Link Packet
Access
Công nghệ truy cập gói đường
xuống tốc độ cao
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện kỹ nghê Điện và Điện tử
IP
Internet Protocol
Giao thức Internet
ID
Identify
Số nhận dạng
Mobile Ad hoc Network
Mạng di động
BPSK
CDMA
DOS
DDOS
IEEE
MANET
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
iv
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Kí hiệu các cụm từ viết tắt
MAC
Media Access Control
Điều khiển truy nhập môi trường
MIMO
Multiple Input and Multipe Output
Công nghệ đa đầu vào và đa đầu ra
Open System Interconnection
Kết nối các hệ thống mở
Orthogonal Frequency Division
Phương pháp đa phân chia tần số
Multiplexing
trực giao
OBU
On Board Unit
Đơn vị truyền thông
PAr
Packet Acceptance Ratio
Tỉ lệ chấp nhận gói dữ liệu
OSI
OFDM
RCCRLs
Revocation Compressed Certificate Chức năng nén thu hồi chứng nhận
Revocation Lists
Suspicious Alarm
Báo động nghi ngờ
SYN
Synchronous
Đồng bộ
UDP
User Datagram Protocol
Giao thức gói dữ liệu người dùng
PKI
Public Key Infrastructure
Cơ sở hạ tầng khóa công khai
Vehicular Public Key
Cơ sở hạ tầng khóa công khai xe cộ
SA
VPKI
Infrastructure
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
Dich khóa pha cầu phương
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
Điều chế biên độ cầu phương
RSU
Road Side Units
Thiết bị bên đường
TPD
Temper Proof Device
Thiết bị chống giả mạo
Universal Mobile
Telecommunications System
Hệ thống Viễn thông di động toàn
cầu
VANET
Vehicular Ad hoc Network
Mạng xe cộ bất định
VC
Vehicular Communication
Phương tiện xe cộ
V2I
Vehicular to Infrastructure
Xe với Cơ sở hạ tầng
V2V
Vehicular to Vehicular
Xe với Xe
V2P
Vehicular to Person
Xe với người
V2R
Vehicular to Road
Xe với thiết bị bên đường
UMTS
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
v
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Kí hiệu các cụm từ viết tắt
VIN
Vehicular Identification Number
Số nhận dạng xe
VPKI
Vehicular Public Key
Infrastructure
Cơ sở hạ tầng khóa công khai xe cộ
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
vi
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Danh mục bảng
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1: Cấu trúc thứ bậc của hệ thống an ninh VANET ..........................................21
Bảng 3. 1: Kịch bản mô phỏng ......................................................................................60
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
vii
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Danh mục hình ảnh
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Mô hình mạng VANET ..................................................................................3
Hình 1. 2: Hệ thống VANET ...........................................................................................4
Hình 1. 3: Các lớp kiến trúc truyền thông .......................................................................6
Hình 1. 4: Cấu trúc hệ thống mạng VANET ..................................................................7
Hình 1. 5: RSU mở rộng khoảng giao tiếp ......................................................................8
Hình 1. 6: RSU như là một nguồn thông tin....................................................................8
Hình 1. 7: RSU cung cấp dịch vụ Internet để OBU truy cập ..........................................9
Hình 1. 8: Các hình thức truyền thông trong VANET ....................................................9
Hình 1. 9: Truyền thông giữa các xe ............................................................................10
Hình 1. 10: Truyền thông đến các thiết bị bên đường ...................................................11
Hình 1. 11: Truyền thông dựa trên định tuyến .............................................................. 11
Hình 2. 1: Cấu trúc biểu diễn VANET ..........................................................................23
Hình 2. 2: Đe dọa an ninh của VANET.........................................................................24
Hình 2. 3: Các lớp tấn công ........................................................................................... 28
Hình 2. 4: Các cuộc tấn công DOS giữa V2V và V2I ...................................................29
Hình 2. 5: DDOS trong truyền thông V-to-V ................................................................ 29
Hình 2. 6: Tấn công DDOS trong V-to-I .......................................................................30
Hình 2. 7: Tấn công mạo danh ......................................................................................30
Hình 2. 8: Tấn công nút giả mạo ...................................................................................31
Hình 2. 9: Tấn công ứng dụng an toàn ..........................................................................31
Hình 2. 10: Tấn công ứng dụng không an toàn ............................................................. 32
Hình 2. 11: Tấn công thời gian ......................................................................................32
Hình 2. 12 : Tấn công có tính chất xã hội .....................................................................33
Hình 2. 13: Lái xe ích kỉ ................................................................................................ 35
Hình 2. 14: Tổng quan về kiến trúc an ninh ..................................................................39
Hình 2. 15: Xác nhận cấp quyền cặp khóa công khai/ riêng của xe .............................. 40
Hình 2. 16: Xác thực......................................................................................................41
Hình 2. 17: Giao thức thu hồi các thiết bị chống giả mạo .............................................42
Hình 3. 1: Phân loại các cuộc tấn công DOS ................................................................ 44
Hình 3. 2: Tấn công DOS trong giao tiếp V2V ............................................................. 47
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
viii
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Danh mục hình ảnh
Hình 3. 3: Tấn công DOS trong giao tiếp V2I .............................................................. 48
Hình 3. 4: Một vùng của 1 kênh bị tắc nghẽn trong truyền thông V2V ........................48
Hình 3. 5: Sự tắc nghẽn kênh giữa V2I .........................................................................49
Hình 3. 6: DDOS trong truyền thông V2V....................................................................49
Hình 3. 7: DDOS trong truyền thông từ xe tới cơ sở hạ tầng........................................50
Hình 3. 8: Các nút Phương tiện truyền thông và các địa chỉ IP ....................................51
Hình 3. 9: Bộ lọc Bloom dùng hàm băm độc lập để ánh xạ vào bit tương ứng ............53
Hình 3. 10: Biểu đồ hiển thị chương trình phát hiện sử dụng bộ lọc Bloom ................56
Hình 3. 11: Không có lưu lượng tấn công .....................................................................63
Hình 3. 12: Lưu lượng tấn công chiếm 1% lưu lượng tổng ..........................................63
Hình 3. 13: Lưu lượng tấn công chiếm 5% lưu lượng tổng ..........................................64
Hình 3. 14: Tỉ lệ chấp nhận gói tin so với số lượng tấn công với mức ngưỡng bằng 1 .......64
Hình 3. 15: Tỉ lệ chấp nhận gói tin so với số lượng tấn công với mức ngưỡng bằng 2 .......65
Hình 3. 16: Tỉ lệ chấp nhận gói tin so với số lượng tấn công với mức ngưỡng bằng 3 .......66
Hình 3. 17: Tỉ lệ lỗi dương tính trung bình so với lượng tấn công ở mức khác nhau .........66
Hình 3. 18: Tỉ lệ lỗi dương tính đối với bộ lọc Bloom dưới mức lưu lượng khác nhau ......67
Hình 3. 19: Hiệu suất phát hiện mật độ lưu lượng và dương sai ........................................68
Hình 3. 20: Phát hiện của bộ tách sóng đáp ứng và dương sai ...........................................68
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
ix
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Lời mở đầu
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, đi cùng với sự tăng trưởng của dân số là hiện trạng tai nạn giao thông
xảy ra nhiều hơn vì mật độ giao thông tăng cao. Sự tiến bộ của công nghệ đã cung cấp
một hệ thống giao thông thông minh. Những phương tiện giao thông này được trang bị
các thiết bị thông tin liên lạc và các phương tiện internet. Các cơ sở như vậy được dựa
trên mạng cố định có dây và mạng không dây di động mang lại. Tuy nhiên, mạng cố
định có dây đang gặp nhiều vấn đề về điểm truy cập, các trang web di động và rất
nhiều thiết bị kỹ thuật số và cáp. Mặt khác một mạng không dây sẽ dễ dàng được cài
đặt và duy trì. Một mạng không dây được chia thành hai phần: một phần là cơ sở hạ
tầng và một phần là không có cơ sở hạ tầng. Các mạng như vậy được gọi là Mobile Ad
Hoc Networks (MANETs). MANET được áp dụng trong các hệ thống giao thông
thông minh được gọi là mạng di động tùy biến (VANETs). VANET cung cấp sự linh
hoạt tuyệt vời, dịch vụ vận chuyển hiệu quả và quản lý dịch vụ vận chuyển hiệu quả.Vì
sự mới mẻ của công nghệ VANET cũng như những vấn đề hấp dẫn về bảo mật trong
VANET nên em quyết định chọn đề tài “ Bảo mật trong mạng VANET”.
Nội dung đề tài đồ án tốt nghiệp của em gồm 3 phần như sau:
Chương 1: Tổng quan về VANET
Chương này sẽ giới thiệu tổng quát về mạng VANET, các đặc điểm của mạng
VANET cũng như các thách thức và ứng dụng của mạng VANET.
Chương 2: Bảo mật trong VANET
Chương này sẽ tìm hiểu về một số hình thức tấn công trong mạng VANET, các
mối đe dọa, kẻ tấn công và các vấn đề bảo mật. Từ đó có những biện pháp bảo mật
chung cho VANET.
Chương 3: Tấn công từ chối dịch vụ (DOS) trong mạng VANET
Chương này đi sâu tìm hiểu hình thức tấn công điển hình trong VANET là tấn
công từ chối dịch vụ. Các mức độ tấn công và mục đích chính là đưa ra phương pháp
phòng chống tấn công từ chối dịch vụ trong VANET.
Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu
sót. Em rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 12 năm 2017
Người thực hiện đề tài
Vũ Thị Thu Thuỷ
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
1
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan về mạng Vanet
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET
1.1 Giới thiệu
Những thập niên trở lại đây ngành giao thông vận tải đang phát triển rất mạnh
mẽ, từ khi ra đời nó đã khẳng định được vị trí của mình trong cuộc sống con người, nó
giúp con người tiết kiệm rất nhiều thời gian và sức lực. Tuy nhiên cũng phải kể đến
vấn đề tai nạn giao thông xảy ra liên tục và có xu hướng ngày càng tăng nhanh mà một
trong những nguyên nhân chủ yếu là sự chủ quan của người điều khiển và người đi
đường.
Để giải quyết được vấn đề này cần có một hệ thống được tích hợp sẵn trên các xe
tham gia giao thông, các thiết bị này phải hoạt động một cách tự động và có thể liên
lạc được với nhau để hỗ trợ tài xế một cách tốt nhất. Dựa vào các ý tưởng trên, hệ
thống mạng VANET ra đời và đã được triển khai thử nghiệm ở một số nước như Hàn
Quốc, Mỹ, ... Mạng VANET ra đời hứa hẹn hướng đi đầy phát triển nhưng không ít
thử thách để cung cấp các dịch vụ ITS (Intelligent Transportation System) cho người
dùng cuối. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ không dây, mọi người đã bắt
đầu tận hưởng truy cập không dây ở khắp mọi nơi, ngay cả trong xe di chuyển. Ngày
nay, các nhà sản xuất ô tô và ngành viễn thông đã hợp tác để trang bị cho những chiếc
xe có công nghệ không dây, không chỉ mang lại nhiều dịch vụ công nghệ thông tin cho
xe mà còn nâng cao tính an toàn trên đường và hiệu quả giao thông. VANET đã thu
hút được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu trong vài năm qua.
Ở Viêt Nam tuy đề tài này vẫn đang trong quá trình nghiên cứu do khoa học kỹ
thuật chưa phát triển, trang thiết bị còn thiếu thốn, nguồn đầu tư còn ít tuy nhiên nó
cho thấy trong tương lại nó sẽ là bước đi đầu tiên của ngành xe cộ thông minh của thế
giới và chúng ta sẽ không khỏi phủ nhận ứng dụng thiết thực của nó như thế nào đối
với đời sống con người.
Khái niệm: Mạng VANET (Vehicular Ad Hoc Network) là một công nghệ sử
dụng các xe di chuyển như các nút trong một mạng để tạo nên một mạng di động.
VANET biến mỗi xe tham gia giao thông thành một router hay một nút không dây, cho
phép các xe này có thể kết nối với các xe khác trong phạm vi bán kính từ 100 đến 300
mét, từ đó tạo nên một mạng với vùng phủ sóng rộng. Do các xe có thể đi ra khỏi vùng
phủ sóng và thoát khỏi mạng, trong khi những xe khác có thể tham gia, kết nối với các
phương tiện khác trên một mạng Internet di động được tạo nên. Trong thực tế, hệ thống
đầu tiên được tích hợp công nghệ này là các xe của cảnh sát và lính cứu hỏa nhằm liên
lạc trao đổi thông tin với nhau phục vụ cho công tác cứu hộ, đảm bảo an ninh trật tự.
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
2
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan về mạng Vanet
Hình 1. 1: Mô hình mạng VANET
Thông tin trao đổi trong mạng VANET bao gồm thông tin về lưu lượng xe cộ, tình
trạng kẹt xe, thông tin về tai nạn giao thông, các tình huống nguy hiểm cần tránh và cả
những dịch vụ thông thường như đa phương tiện, Internet,… Các xe hay các thiết bị sẽ
liên lạc với nhau để chia sẻ thông tin lẫn nhau.
Mục đích: Mục đích chính của VANET là cung cấp sự an toàn và thoải mái cho
hành khách. Các thiết bị điện tử đặc biệt được đặt bên trong các phương tiện giao thông
sẽ cung cấp kết nối mạng Adhoc cho các hành khách. Mạng này hướng đến hoạt động
mà không cần cấu trúc hạ tầng cho phép các liên lạc đơn giản. Mỗi thiết bị hoạt động
trong mạng VANET sẽ là một nút mạng có thể trực tiếp gửi nhận hoặc làm trung gian
trong các phiên kết nối thông qua mạng không dây. Xét trường hợp xảy ra va chạm giữa
các phương tiện trên đường, các tín hiệu cảnh báo sẽ được gửi đi thông qua mạng
VANET tới các phương tiện tham gia giao thông, cùng với các công cụ tiện ích để giúp
đỡ việc giải quyết sự cố, đảm bảo an toàn cho các phương tiện khác. Người tham gia
giao thông cũng có thể kết nối Internet thông qua mạng VANET, thậm chí có thể sử
dụng các dịch vụ đa phương tiện như trao đổi thông tin hình ảnh, video, gọi điện video.
Ngoài ra, thông qua mạng VANET, các phương tiện tham gia giao thông có thể tự động
thanh toán các cước phí như phí gửi xe, phí cầu đường,…
Đặc điểm: Đặc điểm của mạng VANET cũng giống với công nghệ hoạt động của
mạng MANET đó là quá trình tự tổ chức, tự quản lý, băng thông thấp và chia sẻ đường
truyền vô tuyến.
Tuy nhiên điểm khác biệt chính của VANET và MANET là ở chỗ: các node mạng
(xe cộ) di chuyển với tốc độ cao và không xác định khi truyền tín hiệu cho nhau.
VANET là một mạng có những đặc tính riêng, cơ bản nhất là nó không yêu cầu cơ
sở hạ tầng như các hệ thống vô tuyến khác: không cần trạm gốc như những hệ thống di
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
3
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan về mạng Vanet
động khác nhau (GSM CDMA, 3G); không cần điểm truy cập để hỗ trợ cho Wifi và
Wimax. Về yếu tố khoảng cách, VANET có thể khắc phục được giới hạn của truyền dẫn
sóng vô tuyến nhờ vào các nút trung gian. Tuy nhiên, do giao tiếp mà không cần cơ sở
hạ tầng, lại dùng biến đổi định tuyến qua nhiều tầng nên rất nhiều khả năng bị “nghe
trộm” hoặc là thông tin truyền đi có thể bị sai lệch. Trong mạng việc truyền tin tức giao
thông giữa các xe với nhau là rất quan trọng, điều đó có thể có tác dụng tốt (nếu như
thông tin được truyền đi phản ánh đúng tình hình giao thông hoặc các sự cố trên giao lộ)
nhưng cũng có thể gây ra những tác động nguy hiểm khôn lường (nếu như thông tin do
một xe truyền đi là không chính xác hoặc sai lệch). Sở dĩ như vậy vì khi thiết kế mạng
này, thường thì các thông tin sẽ được phát quảng bá và được trung chuyển qua nhiều nút
điều đó gây ra ảnh hưởng như “phản ứng dây truyền”.
Hình 1. 2: Hệ thống VANET
Các đặc điểm của mạng VANET:
Các node mạng di chuyển với tốc độ cao: Các nút trong VANET thường di
chuyển ở tốc độ cao. Điều này làm cho khó đoán được vị trí của nút và bảo vệ sự riêng
tư của nút. Nếu hai xe di chuyển ngược chiều với tốc độ 25m/s (90km/h) và phạm vi
truyền dẫn khoảng 250m thì kết nối giữa hai xe chỉ kéo dài khoảng 5s.
Thường xuyên ngắt kết nối mạng: Do tính di động của nút cao và tốc độ ngẫu
nhiên của xe, vị trí nút thay đổi thường xuyên. Do đó, topo mạng trong VANETs
thường xuyên thay đổi. Kết nối liên kết giữa các phương tiện trong VANET thường bị
ngắt kết nối do sự di chuyển của các nút và thay đổi thường xuyên trong môi trường.
Như giả thiết nêu trên thì sau 5s hai chiếc xe đã ngắt kết nối với nhau, để đảm bảo kết
nối thông suốt thì chúng ta phải thiết lập liên kết khác với xe gần đó. Trong các trường
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
4
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan về mạng Vanet
hợp ngắt kết nối như vậy, đặc biệt trong khu vực mật độ xe thấp thì thường xuyên xảy ra
việc ngắt kết nối mạng, giải pháp là phải có các node mạng chuyển tiếp.
Kích thước mạng không bị hạn chế: Kích thước mạng của VANET là không giới
hạn về mặt địa lý. Có nghĩa là, VANET có thể được triển khai cho một thành phố, một
số thành phố hoặc cho các quốc gia.
Mô hình chuyển động và dự đoán: Chúng ta cần các thông tin về vị trí các node và
sự chuyển động của chúng, rất khó để đoán chuyển động của các xe. Để kiến trúc mạng
hoạt động hiệu quả chúng ta cần phải nghiên cứu mô hình chuyển động và dự đoán
chuyển động từ trước.
Môi trường truyền thông tin: Mô hình các node (xe) chuyển động trên hệ thống
đường cao tốc, chuyển động một chiều điều này là dễ dự đoán được nhưng cấu trúc
đường phố, mật độ xe, tòa nhà, cây cối lại gây ra cản trở quá trình truyền thông tin.
Hạn chế trễ cứng: Các vấn đề an toàn (tai nạn, phanh xe,…) của node mạng phải
thông báo đến các node mạng liên quan. Điều này đơn giản không thể thỏa hiệp với trễ
dữ liệu cứng trong vấn đề này. Do đó tốc độ dữ liệu cao không là vấn đề quan trọng cho
VANET như việc khắc phục các vấn đề về hạn chế sự chậm của trễ cứng.
Tương tác với onboard cảm biến: Cảm biến này sẽ giúp cung cấp các vị trí nút và
chuyển động của các node để sử dụng cho liên kết truyền thông hiệu quả và mục đích
định tuyến.
Thường xuyên trao đổi thông tin: Tính chất đặc biệt trong VANET thúc đẩy các
nút thu thập thông tin từ các phương tiện khác và RSU. Do đó, trao đổi thông tin giữa
các nút trở nên thường xuyên.
Truyền thông không dây: VANET được thiết kế cho môi trường không dây; các
nút được kết nối và trao đổi thông tin của họ qua mạng không dây. Do đó, biện pháp
bảo mật phải được xem xét trong quá trình truyền thông.
Thời gian là vấn đề quan trọng: Việc phân phối thông tin đến các nút trong
VANET phải được thực hiện trong giới hạn thời gian để nó có thể thực hiện hành động
phù hợp, ví dụ: các thông báo khẩn cấp y tế quan trọng phải được gửi đúng thời gian
để cứu sống con người.
Sử dụng các công nghệ khác: Hầu hết các phương tiện trong VANET có khả
năng tích hợp hệ thống của họ với các công nghệ hiện có khác như hệ thống định vị
toàn cầu (GPS). Các hệ thống định vị chính xác như GPS với bản đồ điện tử được tích
hợp rất phổ biến trong ô tô, như các phương tiện được trang bị các công cụ này, cung
cấp thông tin vị trí cho các mục đích định tuyến.
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
5
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan về mạng Vanet
1.2 Tổng quan về mô hình VANET
Có nhiều thực thể bao gồm trong giải quyết và triển khai VANET. Mặc dù có rất
nhiều các nút trong VANET, có các thực thể khác biểu diễn các hoạt động cơ bản
trong mạng này. Ngoài ra, chúng có thể giao tiếp với nhau theo nhiều cách khác nhau.
Trong phần này chúng ta sẽ mô tả thực thể chung nhất xuất hiện trong VANET. Ở
phần thứ 2, sẽ phân tích cách cài đặt khác của VANET giữa các xe, và giữa các xe với
các thực thể đang được duy trì.
1.2.1 Kiến trúc Layers
Việc truyền tải thông tin trong mạng lưới xe có thể được thực hiện nhiều cách
theo các ứng dụng khác nhau .Có ba chế độ thông tin liên lạc trong mạng vanet :
bidirectional, single-hop, mult-hop. Mỗi chế độ được thiết kế cho một thông tin liên
lạc cụ thể : bidirectional truyền thông ở cả hai hướng, single-hop truyền thông một
chiều và nhanh còn mult-hop ngược lại.
Ứng dụng
Lớp chế độ truyền thông
Lớp định tuyến
Bảo
mật
Lớp MAC
Xác
nhận
và
đánh
giá
Lớp PHY
Hình 1. 3: Các lớp kiến trúc truyền thông
Lớp PHY (vật lý ): Để truyền tin nhắn trong mạng lưới xe với dải tần số dành
riêng.
Lớp MAC: Một giao thức xử lý các thông điệp truyền đi và cố gắng tránh va
chạm tin nhắn( gửi tất cả các thông tin xe được sử dụng trong các ứng dụng).
Lớp định tuyến: Để di chuyển một gói dữ liệu từ nguồn tới đích.
Lớp chế độ truyền thông: Truyền thông tin đến các xe.
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
6
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan về mạng Vanet
1.2.2 Cấu trúc hệ thống trong mạng VANET
Hình 1. 4: Cấu trúc hệ thống mạng VANET
Một kiến trúc hệ thống mạng VANET bao gồm các domain và nhiều thành phần
riêng rẽ như Hình 1.4. Hình 1.4 cho thấy 3 domain (gồm trong xe, Adhoc, cơ sở hạ tầng)
và các thành phần riêng rẽ (đơn vị ứng dụng, đơn vị trên xe và đơn vị bên đường).
Trong xe: Bao gồm một OBU và nhiều AU bên trong một chiếc xe. AU thực
hiện một tập hợp các ứng dụng sử dụng khả năng giao tiếp của OBU. Một OBU được
trang bị một thiết bị truyền thông (tầm ngắn) cho an toàn, có khả năng lựa chọn các thiết
bị liên lạc (giao tiếp an toàn và không an toàn). Sự khác biệt giữa AU và OBU là logic,
chúng cũng có thể trong cùng một đơn vị vật lý.
Adhoc: Miền Adhoc bao gồm các loại xe được trang bị OBU và trên đường có
các RSU để hình thành mạng VANET. OBU hình thành một mạng lưới cho phép giao
tiếp giữa các nút. Nếu tồn tại kết nối không dây OBU trực tiếp giao tiếp, sử dụng đa hop
để chuyển tiếp dữ liệu.
Cơ sở hạ tầng: Cơ sở hạ tầng bao gồm RSU và các điểm nóng không dây (HT),
các xe có thể truy cập cho các ứng dụng an toàn và không an toàn. RSU truy cập
Internet thường được thiết lập bởi các quản trị viên và các cơ quan khác. Hai loại truy
nhập cơ sở hạ tầng, RSU và HT, tương ứng với các loại ứng dụng khác nhau. Không
phải RSU, cũng không phải HT truy cập Internet, mà OBU có thể giao tiếp với mạng di
động (GSM, GPRS, UMTS, HSDPA, WiMax, 4G) được tích hợp ở OBU, đặc biệt là
các ứng dụng an toàn.
On – Board Unit (OBU)
OBU được đặt trên xe để đáp ứng giao tiếp V2V và V2I. Nó cũng cung cấp dịch
vụ truyền thông AU và chuyển tiếp dữ liệu thay cho OBU khác trong mạng Adhoc. Một
OBU được trang bị ít nhất một giao tiếp không dây tầm ngắn dựa trên công nghệ
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
7
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan về mạng Vanet
802.11p. Thiết bị mạng được sử dụng để gửi, nhận và chuyển tiếp các dữ liệu liên quan
trong mạng Adhoc. Một OBU có thể trang bị nhiều thiết bị mạng, ví dụ: truyền không
an toàn, dựa trên công nghệ vô tuyến khác theo tiêu chuẩn IEEE 802.11a/b/g/n. Các
chức năng OBU và thủ tục bao gồm truy cập vô tuyến không dây, định tuyến dựa vào vị
trí địa lý, điều khiển tắc nghẽn mạng, chuyển dữ liệu an ninh quan trọng…
Road – Side Unit (RSU)
RSU là một thiết bị vật lý có các vị trí cố định trên đường hoặc các vị trí chuyên
dụng như trạm xăng, bãi đỗ xe, nhà hàng. Một RSU được trang bị ít nhất một thiết bị
mạng giao tiếp không dây tầm ngắn dựa trên IEEE 802.11p. Một RSU cũng có thể được
trang bị các thiết bị mạng khác để cho phép liên lạc với một mạng lưới cơ sở hạ tầng.
Tổng quan về RSU như sau:
Mở rộng phạm vi giao tiếp của mạng Adhoc có nghĩa là phân phối lại thông tin
để các OBU cùng với RSU có thể chuyển tiếp, phân phối thông tin an toàn.
Chạy các ứng dụng an toàn, chẳng hạn như cảnh báo cho V2I (cảnh báo cầu
thấp, công trường thi công,…) và hoạt động như nguồn và nhận.
Cung cấp kết nối Internet cho OBU.
Hình 1. 5: RSU mở rộng khoảng giao tiếp
Hình 1. 6: RSU như là một nguồn thông tin
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
8
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan về mạng Vanet
Hình 1. 7: RSU cung cấp dịch vụ Internet để OBU truy cập
1.3 Truyền thông trong mạng VANET
VANET có trách nhiệm truyền thông giữa các phương tiện di chuyển trong một
môi trường nhất định. Một chiếc xe có thể liên lạc trực tiếp với một chiếc xe khác gọi
là truyền thông xe đến xe (V2V) ,truyền thông xe đến cơ sở hạ tầng (V2I)
Hình 1. 8: Các hình thức truyền thông trong VANET
1.3.1 Truyền thông giữa các xe ( V2V-Vehicles to vehicles)
Giữa các xe sử dụng multi-hop multicast / broadcast cấu hình thông tin liên lạc để
truyền thông tin liên quan đến giao thông trên nhiều chặng cho một nhóm người nhận.
Trong các hệ thống giao thông thông minh, xe chỉ cần quan tâm đến các hoạt động trên
đường ở phía trước nó và không cần quan tâm đến các hoạt động phía sau (ví dụ như xe
thông báo khẩn cấp về một vụ va chạm sắp xảy ra hoặc lập kế hoạch tuyến đường tốt
nhất). Có hai loại tin nhắn chuyển tiếp trong truyền thông giữa các xe: truyền thông cơ
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
9
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan về mạng Vanet
bản và truyền thông thông minh. Trong truyền thông cơ bản, phương tiện gửi tin nhắn
quảng bá định kỳ và đều đặn. Sau khi nhận được tin nhắn, các phương tiện bỏ qua các tin
nhắn nếu nó đã đến từ một chiếc xe đằng sau nó. Nếu thông báo xuất phát từ một chiếc xe
ở phía trước, chiếc xe nhận được gửi tin nhắn quảng bá riêng cho mình . Điều này đảm
bảo rằng tất cả các xe được trong di chuyển hướng về phía trước đều nhận được các tin
nhắn quảng bá. Nhưng hạn chế của phương pháp truyền cơ bản là số lượng lớn các tin
nhắn quảng bá được tạo ra, do đó làm tăng nguy cơ va chạm tin nhắn dẫn đến tỷ lệ
chuyển phát tin nhắn thấp hơn và tăng thời gian truyền. Truyền thông thông minh ngầm
thừa nhận giải quyết những vấn đề vốn có trong truyền thông thường bằng cách hạn chế
số lượng tin nhắn quảng bá các tình huống khẩn cấp nhất định. Nếu xe phát hiện nhận
được cùng một thông điệp từ phía sau, nó giả định rằng ít nhất một chiếc xe ở phía sau đã
nhận được nó và chấm dứt phát sóng. Giả định là chiếc xe ở phía sau sẽ có trách nhiệm
chuyển thông điệp cùng với phần còn lại của các phương tiện. Nếu một chiếc xe nhận
được một tin nhắn từ nhiều hơn một nguồn nó sẽ hoạt động dựa trên tin nhắn đầu tiên.
Hình 1. 9: Truyền thông giữa các xe
1.3.2 Truyền thông của xe đến các thiết bị bên đường (V2I -Vehicles to
infrastructures)
Cấu hình truyền thông của xe đến các thiết bị bên đường đại diện cho phát sóng
bước nhảy đơn nơi các thiết bị bên đường gửi bản tin quảng bá đến tất cả các xe được
trang bị trong vùng lân cận.
Cấu hình truyền thông của xe đến các thiết bị bên đường cung cấp liên kết băng
thông cao. Các thiết bị bên đường có thể được đặt cách nhau vài kilomet hoặc ít hơn,
Cho phép tốc độ dữ liệu được duy trì trong giao thông mật độ cao.Ví dụ, khi phát thanh
các giới hạn tốc độ động, bộ phận các thiết bị bên đường sẽ xác định giới hạn tốc độ phù
hợp theo thời gian biểu và điều kiện giao thông của chính nó. Thiết bị bên đường sẽ
truyền đi bản tin một cách tuần hoàn chứa giới hạn tốc độ và sẽ so sánh bất kì giới hạn
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
10
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan về mạng Vanet
khoảng cách hoặc hướng với dữ liệu của xe để xác định cảnh báo giới hạn tốc độ đối với
bất kì xe nào trong vùng lân cận. Nếu một chiếc xe vi phạm giới hạn tốc độ, tín hiệu sẽ
được gửi đến chiếc xe dưới dạng cảnh báo thính giác hoặc thị giác, yêu cầu người lái xe
giảm tốc độ của mình.
Hình 1. 10: Truyền thông đến các thiết bị bên đường
1.3.3 Truyền thông dựa trên định tuyến
Cấu hình truyền thông dựa trên định tuyến (Hình 1.10) là truyền thông đơn hướng
đa bước nhảy, nơi mà bản tin được lan truyền trong kiểu đa bước nhảy cho đến khi dữ
liệu mong muốn mang đến xe đạt được. Khi truy vấn được nhận bởi xe sở hữu thông tin
mong muốn, ứng dụng của chiếc xe đó ngay lập tức gửi bản tin unicast chứa thông tin
để chiếc xe đó nhận được yêu cầu từ cái mà chịu trách nhiệm với nhiệm vụ chuyển tiếp
nó đến nguồn truy vấn.
Hình 1. 11: Truyền thông dựa trên định tuyến
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
11
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan về mạng Vanet
1.4 Các thách thức và yêu cầu bảo mật trong mạng VANET
1.4.1 Các thách thức
MANET có cơ sở hạ tầng cố định và dựa trên các nút ban đầu để hình thành định
tuyến và các chức năng quản lý mạng. Tuy nhiên, mạng xe cộ hoạt động khác hơn sơ
với mạng MANET thông thường. Các hạn chế về di động, tốc độ cao tạo nên điểm đặc
biệt của VANET. Những đặc điểm này có ý nghĩa quan trọng trong thông tin liên lạc
giữa các xe. Những thách thức về an ninh phải được xem xét trong quá trình thiết kế
kiến trúc VANET, các giao thức bảo mật, thuật toán mật mã ... Dưới đây là một số
thách thức về bảo mật:
Hạn chế thời gian thực: Hầu hết các ứng dụng trong VANET đều yêu cầu quan
trọng thông báo thời gian, như tránh va chạm, cảnh báo nguy hiểm và thông tin cảnh
báo tai nạn ... Do đó phải hoàn thành đúng thời hạn cho việc phân phối tin nhắn.
Tính nhất quán dữ liệu: Trong nút VANET việc xác thực có thể gây ra tai nạn
hoặc gây nhiễu mạng. Tương quan giữa các dữ liệu nhận được từ nút khác nhau về
thông tin cụ thể có thể không thống nhất. Do đó cần có một cơ chế được thiết kế để
tránh sự không thống nhất này.
Nhận thức về vị trí: Sự gia tăng sự tin cậy của VANET trên GPS hoặc các công
cụ định vị cụ thể khác có thể ảnh hưởng đến các ứng dụng của nó trong trường hợp
xảy ra bất kỳ lỗi nào.
Khả năng chịu sai lầm thấp: Một số giao thức được thiết kế dựa trên cơ sở xác
suất. VANET sử dụng thông tin mà hành động được thực hiện trong thời gian rất ngắn.
Một lỗi nhỏ trong thuật toán xác suất có thể gây ra nguy hiểm.
Phân phối khóa: Trong VANET, các cơ chế bảo mật thực hiện dựa vào khóa.
Mỗi tin nhắn được mã hóa và cần phải giải mã ở đầu thu với khóa chính hay phím
khác. Sự phân bố phím giữa các phương tiện là một thách thức lớn trong việc thiết kế
một giao thức bảo mật.
Ứng dụng tiêu dùng: Các nhà sản xuất quan tâm đến việc xây dựng các ứng dụng
mà người tiêu dùng thích nhất. Rất ít người tiêu dùng sẽ đồng ý với một chiếc xe tự
động báo cáo bất kỳ vi phạm quy tắc giao thông. Do đó việc triển khai thành công
VANET sẽ yêu cầu các nhà sản xuất xe hơi khuyến khích, người tiêu dùng và chính
phủ là một thách thức để thực hiện an ninh trong VANET.
Tính linh hoạt cao: Khả năng tính toán và cung cấp thông tin trong VANET gần
giống như nút mạng có dây, nhưng tính di động cao của các nút VANET đòi hỏi ít thời
gian thực hiện các giao thức bảo mật cho cùng một luồng mà mạng có dây tạo ra.
Vũ Thị Thu Thuỷ - D13VT8
12
- Xem thêm -