车载移动通信网_VANET_物理层安全问题

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第48卷第11期Vol.48　No.11文章编号:1001-893X(2008)11-0102-07

车载移动通信网(VANET)物理层安全问题

刘　涛,王　尧,周贤伟,武晓博

(北京科技大学信息工程学院通信工程系,北京100083)

3

摘　要:基于AdHoc网络的车载移动通信网(VANET)由于网络基础的原因,以及VANET自身的特

点,带来了很多安全的问题。根据VANET的特点,对VANET进行自顶向下的分层,并针对物理层的攻击进行总结和归纳,再利用现有技术对其中一些攻击给出应对措施。底层的物理层安全的保证对整个VANET的安全至关重要。

关键词:车载AdHoc网络;物理层;攻击;安全中图分类号:TN918.91　　文献标识码:A

PhysicalLayerSecurityofVANET

LIUTao,WANGYao,ZHOUXian-ei,bo

(DepartmentofCommunicationInforBeijingUniversityofScienceChina)

Abstract:Duetothenetworkcharacteristics,thevehicularAdHocnetworks(VANET)havers.AccordingtothecharacteristicsofVANET,VANETishierarchizedintrthentheattacksinphysicallayeraresummarizedandtheappropriateresponsemeasuressoftheseattacksareproposedusingavailabletechnologies.Asthebottomlay2er,thesecurityofphysicallayeriscriticalforVANETsecurity.

Keywords:vehicularAdHocnetwork(VANET);physicallayer;attack;security

目。车载自组网的组网基础为AdHoc网络,其主要

1　引　言

VANET(VehicularAdHocNetwork)即基于AdHoc网络的车载移动通信网,也被称为车载自组网。

特点有节点高速移动、网络拓扑变化快、节点移动具有一定的规律性和可预测性,节点在通信中也可起到路由作用等

[1]

。

最早关于车辆间通信的研究始于20世纪80年代初的日本。在2003年ITU-T的汽车通信标准化会议上,各国专家提出了车载自组织网络技术,其有望在2010年将交通事故带来的损失降低50%。同年,美国的联邦通信委员会专门为车辆间通信划分了一个专用频段。2004～2006年间,MobiCom专门召开了3次专题研讨会讨论VANET。欧盟IST设立了若干个采用移动自组网技术解决车辆之间通信问题的项

3

VANET以上的特性引起了很多安全方面的问

题。在国际上,有关车载自组织网络的安全问题研究才刚刚开始Blum和Eskandarian描述了车载通信的一个安全体系,主要为了对付故意引起的碰。但这只是针对一种攻击,并且安全体系的构建。lum和Eskandarian建(PKI)和一个虚拟基础设施对其行数位签名,簇头负责可靠的信息传递。

[2]

收稿日期:2008-07-03;修回日期:2008-09-12

基金项目:北京市科学自然科学基金资助项目(4082020);

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2007AA01Z234)

102

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第48卷第11期Vol.48　No.11baux等人对于车辆通信安全有不同的观点,并致

[4]

力于保密和安全定位的研究。Parno和Perrig讨

论在车载自组织网络中遇到的攻击类型,并描述了一些安全机制。可见,国外的研究还基本处于起始阶段。而国内有关车辆通信网络安全的研究基本上处于空白。

为了利于研究,我们对VANET进行分层。根据AdHoc网络的协议栈分层,可以将VANET分为5层,、传输层、网络层、数据链路层(MAC,LLC)和物理层。本文主要针对VA2NET的物理层进行安全研究。

[5]

2.1.2　阻塞干扰攻击(Jamming/InterferingAttack)

无线电信号极易被阻塞或者干扰,从而极易导致传输消息损坏甚至丢失。攻击者通过故意在一个授权频段连续地发射信号,致使共享信道发生堵塞,用户间无法进行正常通信。攻击者只需使用无线电发射装置产生强度足以压制目标信号的干扰信号,就能够使网络通信瘫痪。典型的无线电阻塞攻击行为包含生成随机噪声或者随机脉冲。这种攻击不仅能通过使用高的发送功率而进一步放大,而且可以

[6]

在多个频段中传输。2.1.3　篡改攻击(TamperingAttack)

攻击者在进入传输信道后,以非法或者合法的身份可以篡改网络节点信息,或者节点接收和发送的道路信息等。攻击者可以针对传输信道进行篡改攻击,也可以针对硬件芯片进行篡改,以攻击芯片的。例如,通过在,,、极低的不稳定的工作电压等。其中非正常的不稳定电压容易使硬件CPU执行非法指令,从而引起非法访问,导致芯片安全信息的泄漏,使篡改芯片攻击成为可能。非法指令引起的非法访问同样可以回避某些判断、跳转指令的执行,从而逃避芯片的安全

[7]

监察,也可能最后导致对芯片的篡改攻击。2.1.4　电能消耗攻击(BatteryExhaustionAttack)当网络内的节点大部分时间都处于休眠模式时,节点只收听无线电信号,这时电能消耗攻击就成为可能。当电量耗尽后攻击者离开,网络中的节点车辆将无法正常工作。这种攻击被称为“剥夺睡眠”。攻击者可以设法使节点始终处于通信状态,

[8]

以消耗节点有限的电量。但是值得注意的是,车辆的电能补给是通过补充油耗的方式,因此这种攻击行为易发生在油耗补给不充足的环境下。2.1.5　拒绝服务攻击(DoSAttack)

拒绝服务(DenialofService,DoS)攻击,即攻击者通过不同攻击手段使得被攻击目标停止提供服务或资源访问的攻击方式。此攻击可以由其它攻击手段引起,如前面所述的阻塞干扰、篡改等攻击均能使

[9]

得被攻击节点停止服务。VANET物理层的DoS攻击根据攻击对象不同可分为针对无线电磁频谱的攻击和无线移动设备的攻击。对于VANET物理层

103

2　VANET安全问题分析

由于AdHoc网络的特性,如拓扑结构的随时变化、网络节点的移动性强、信道带宽不足,加之VA2NET自身的特性,如网络中车辆的高速性等,使得VANET的安全性成为一大问题,很多VANET的应用,如交通事故预警、道路交通优化、道路车辆对道路服务的电子付费等,都将被攻击者作为攻击的对象。

本文主要针对VANET析。,础。VANET,主要负责频率选择、信号监测、调制、数据的发送接收等。VANET物理层可以选择和参考的标准包括IEEE802.11、IEEE802.16、蓝牙和高性能无线局域网(HiperLAN)等标准所定义的物理层。在网络安全的研究中,只有确保下一层的安全,才能保证上一层有较强的安全性。总的来说,当前的VA2NET物理层可能受到的攻击可以分成两类:主动攻击和被动攻击。主动攻击主要是指某些节点必须花费一些能量用于网络破坏,而被动攻击则主要是收集信息而不是进行访问,数据的合法用户对这种活动难以觉察。下面就主动攻击和被动攻击分别进行描述。2.1　主动攻击

2.1.1　虚假信息攻击(BogusInformationAttack)

车载移动自组织网络中全体节点共享无线信道,2.4GHz和5.9GHz频段,通信都采用RF频谱和广播方式。因此,VANET中任意车辆节点只要捕捉到正确频率,就可以截获无线信号。攻击者利用这一特性可以向网络注入虚假消息。在VANET中,非法节点还可以假冒身份,如假冒网络中节点的合法身份,向网络中注入虚假信

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第48卷第11期2008年11月

TelecommunicationEngineering　

Vol.48　No.11Nov.2008　

的DoS攻击主要是频谱干扰,攻击者可以利用大功

率的噪声信号干扰整个带宽,来阻止正常的数据传输。但是由于攻击者需要专用的设备和巨大的功率消耗来干扰频谱,因此这种攻击的代价是相当昂贵的。因此针对民用VANET的DoS攻击并不划算,

[10]

而在军事领域发生的可能性更大。

在物理层除了对无线电磁频谱的攻击以外,还可以针对移动设备某些缺陷进行攻击。相比有线网络设备,无线移动设备的电源是有限的。攻击者通过某些手段快速地消耗某个特定移动设备的电能,从而达到拒绝服务的目的,这种电能消耗攻击已在前面介绍过。另外,无线网络的带宽更加有限,使得通过消耗有限带宽而发起的攻击变得更加有效。2.2　被动攻击

2.2.1　窃听攻击(EavesdroppingAttack)

就规定了物理层的3种无线传输方式:跳频扩频

(FrequencyHoppingSpreadSpectrum,FHSS)、直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)以及红外(Infrared,IR)传输方式。扩频技术逐渐引入到无线通信中。在IEEE802.11中规定的扩展频谱技术保证了802.11的设备在这个频段上的可用性和可靠的吞吐量,还可以降低同其它使用同一频段的设备之间的相互干扰

[14]

。需要指出的是,FH2

SS和DHSS技术在运行机制上是完全不同的,所以

采用这两种技术的设备没有互操作性。

后来的IEEE802.11a标准对物理层进行了补充,(OrthogonalFrequencyDivi2sionMultiplexing,OFDM)的独特扩频技术,可提供25Mbit/s的无线ATM接口和10Mbit/s的以太网

无线帧结构接口

[15]

,OFDM技术是一种特殊的多载

由于在VANET中,各用户共享信道进行通信,

通信信道频谱极易被捕获,导致对信道通信的窃听

[11]

攻击。攻击者可以窃听节点的路由、位置等信息,如果信道不经过加密,甚至可以窃听节点的通信内容,致使传输敏感信息丢失。图1结构图

。

波传输方案,其多载波之间相互正交,可以高效利用频谱资源,同时OFDM子载波,。因为,不可能被其它接收。这意味,即使拥有对数据的物理接入,也无法解码该数据包。OFDM技术可以提高频谱利用效率,使系统达到最大比特率,并能够有效抑制信道窄带干扰。

在IEEE802.11b标准中,又引入了一种先进的编码技术,这种编码技术抛弃了原有的11位Barker序列技术,而采用了补码键控调制(ComplementaryCodeKeying,CCK)技术。它的核心编码中有一个由64个8位编码组成的集合,在这个集合中的数据有特殊的数学特性使得它们能够在经过干扰或者由于反射造成的多方接收问题后还能够被正确地互相区分,达到有效对抗多径干扰和频率选择性衰落的目的

。

在IEEE802.11n中,定义了一种软件无线电技术,即多输入多输出技术(Multiple-InputMultiple-Out-put,MIMO),MIMO技术在不需要占用额外的无线电频率的条件下,通过多个收发天线,利用多径来提供更高的数据吞吐量,同时MIMO使用了ACS(Alamouti’sCodingSchemes)编码方案来增加传输覆盖范围和可靠性。它解决了当今任何无线电技术都面临的两个最困难的问题,即速度与覆盖范围。专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g网络

[18,19]

的性能。在文献[20]中提出了一种针对基于

[17]

[3,16]

图1　窃听信道结构图

2.2.2　隧道攻击(TunnelAttack)

网络中的恶意节点共同隐瞒它们之间的链路真

实性,以诱使其它节点建立经过它们的路由,这样可以达到吸收网络流量的目的,给拥塞攻击等其它攻

[12]

击行为提供可能性。隧道攻击不仅存在于物理层,在其它层如网络层也同样存在此攻击,而低层安全对高层的安全性能也是有着直接的影响。除了以上所说的隧道攻击,还有一种针对带有车载GPS设备的车辆节点在隧道环境下行驶时的攻击行为。车辆行驶进隧道之后,GPS设备失效,定位失灵,攻击者发送虚假信息,或者任何物理层的恶意攻击以及纯物理的攻击。隧道场景同样可以被替换成阻塞的

[13]

交通场景,攻击后产生的结果是相似的。

3　VANET物理层安全技术

3.1　扩频技术

早在1997年6月IEEE公布的802.11标准中, 104

..

[24]

MIMOOFDM系统的AdHoc网络的跨物理层和链

路层的优化设计方案。作者指出,将OFDM技术与

空时编码技术结合可以进一步提高OFDM系统在衰落信道中的抗误码性能。该技术结合了传统物理层自适应调制和链路层自动请求重发,利用链路层的误包率和信道估计参数计算自适应调制门限,在系统给定时延和误包率约束的基础上最大程度地提

[20]

高了频谱利用率。

美国试验与材料协会(ASTM)于2003年推出的E2213-03标准,引入了DSRC(DedicatedShort

[21]

RangeCommunication),即专用短距通信,并于同年在IEEE802.11p中定义的WAVE(WirelessAbili2tyinVehicularEnvironments)标准中也使用了DSRC

[22]

技术。IEEE802.11p中对物理层和MAC层的规定是以IEEE802.11a中对物理层的定义和IEEE802.11中对MAC层的定义为基础的。DSRC系统采用的是简单的物理层、数据链路层和应用层3层分层方式。DSRC的物理层采用变种的OFDM模式传输多路数据。DSRC中的传输能量为适合室外车载通信的要求也相应地被进行了修改,传输距离提

[23]

高到1000m。

扩频技术保证了802.11扩频技术的引入,可以迫使攻击者不得不损耗更多的能量来拥塞、干扰更大范围的频谱,能够针对窃听、信道干扰、信道阻塞等攻击达到一定程度的防御目的,减小攻击的成功率,确保VANET通信信道传输信息的安全性。而将MMIO与扩频技术融合,即基于OFDM的MMIO系统,移植到VANET中将会对信道的改善和传输的可靠性、安全性等方面有很大帮助和提高。3.2　TPM

TPM安全芯片,是指符合可信赖平台模块(TrustedPlatformModule,TPM)标准的安全芯片,它

无效的。TPM必须先于车载设备(OnboardUnit,OBU)的BIOS和操作系统工作,而且必须使用独立于具有传输功能的模块组的内存和硬盘等公用存储设备。此外,还要提供一套独立的安全操作系统中必备的密码学运算逻辑。这样大大降低了TPM存储的敏感信息受到攻击的几率。在VANET的硬件平台中引入TPM安全芯片模块,可以防止攻击者对

[25]

硬件芯片的篡改等攻击。

fail-complete行为,,或者删除加密密钥等应对。也可以隐藏网络内节点,使攻击者无法找到要攻击的节点

[24]

。

3.3　身份认证

攻击者根据不同的来源分为通信范围内和通信范围外,范围外的攻击者得到入网的合法身份以后进入车载移动通信网内进行攻击,成为网络内部攻击者。因此,不仅要在节点进入网络时进行身份认证,验证用户的合法性,还要对网内的用户进行合法身份认证,确保网内通信的安全。在IEEE1609标准中,没有对身份认证进行定义和描述,VANET的身份认证机制都是以IEEE802.11标准为基础的认证机制。802.11标准在连接控制方面,制定了两种无线网络客户端认证机制:开放与共享密钥。除此之外,还有两种机制也常被采用,即服务识别码(ServiceSetIdentifier,SSID)和MAC地址认证[10]。

在文献[9]中,(ElectronicLicensePlates,ELP)。每一个车辆都有区别于其它车辆的车牌,每个车牌仅代表一辆车。ELP也是如此,相当于VANET中的每个节点的身份证(ID),只有合法ID才能进入网络中并有权使用网络中的各种服务。进入到网络中的节点在使用一些涉及安全隐私的通信服务时同样需要身份认证,以防止来自

105

能有效地保护主机,防止非法用户访问。符合TPM的芯片首先必须具有产生加解密密钥的功能,此外还必须能够进行高速的资料加密和解密,以及充当保护BIOS和操作系统不被修改的辅助处理器。图2为TPM系统结构图。

TPM安全芯片是从最底层,即物理层进行更高级的安全防护,是一种硬件的安全防护措施。TPM的特点主要是将敏感数据存放在芯片的内部和其它硬件组件隔离的存储器内,任何软件攻击对其都是

..

网络内合法身份节点的攻击。作者还提出了基于数

字签名的身份认证机制,二级用户可以用它来分辨

[9]

出恶意传输。

在TPM安全模块中也涉及到身份认证,在文献[24]中也提到了TPM芯片中的身份认证机制:基于CA(证书颁发机构)的身份验证和直接匿名身份验

[24]

证,并对两种机制进行了详细说明。

针对前面介绍的电能消耗攻击,同样需要通过加强认证机制来确保端对端通信的合法性,并应在能源有限的情况下首先满足高优先级的业务,优先级最高的任务可设为电池管理。此外,还可以进行的节能措施包括:降低显示器、CPU和硬盘的功耗,提高算法的效率,关闭不用的设备或使设备处于待机/休眠状态来减少功耗。在物理层还可以通过功率控制来调节传输功耗和在适当的时候关闭发射机,在能够维护网络连通性的基础上尽量以最低的

[26]

功耗发送和接收数据。

在物理层数据传输和物理设备的使用时,身份认证的引入是相当必要的,任何层在传输时使用身份认证机制都会对VANET助,增强VANET的健壮性。3.4　信道加密

现有的设备上升级固件和驱动程序的方法达到提高

WLAN安全的目的。CCMP机制基于AES(Ad2vancedEncryptionStandard)加密算法和CCM(Counter-Mode/CBC-MAC)认证方式,使得WLAN的安全程度大大提高,是实现RSN的强制性要求。由于AES对硬件要求比较高,因此CCMP无法通过在现有设备的基础上进行升级实现。WRAP机制基于AES加密算法和OCB(OffsetCodebook),

[27]

是一种可选的加密机制。在IEEE1609.4中,针对安全信息进行了详细的定义,其中也使用了IEEE

[28]

802.11i中的AES加密算法和CCM认证方式。在文献[29]和[30]中,J-P.Hubaux等人和PandurangKamat等均提出了在VANET环境下基于身份(Identity,ID)的加密方式,使用了RSA加密算法。J-P.Hubaux还提出了基于CA(CertificateAu2thority)的加密系统,归纳了两种CA选择的方案,即一种是以公共车辆作为CA,另一种则是选择普通车

[29,30]

辆作为节点3.RadioNetworks),即认知无线电

,无论对于有线

网络还是无线网络,到良好的防御和抑制作用。在IEEE802.11b标准中,定义的用于无线局域网(WLAN)的安全性协议里使用了一种无线数据加密协议WEP(WiredE2quivalentPrivacy),即有线等效保密协议,是对在两台设备间无线传输的数据进行加密的方式,用以防

[17]

止非法用户窃听或侵入无线网络。但是由于WEP是一种基于40bit共享密钥编码的数据加密方式,其密钥不可变换,所以非常容易被入侵。WEP在数据的保密性、完整性和身份认证上都无法满足要求,因此IEEE为了弥补802.11脆弱的安全加密功能制定了IEEE802.11i,于2004年7月完成。其中定义了RSN(RobustSecurityNetwork)的概念,并且针对WEP加密机制的各种缺陷进行了多方面的改进。IEEE802.11i规定使用802.1x认证和密钥管理方式,在数据加密方面,定义了TKIP(TemporalKeyIntegrityProtocol)、CCMP(Counter-Mode/CBC-MACProtocol)和WRAP(WirelessRobustAuthen2ticatedProtocol)3种加密机制。其中TKIP采用WEP机制里的RC4作为核心加密算法,可以通过在 106

。CR的概念是在1999年由JosephMitolo博士提出的,其核心思想就是CR具有学习能力,能与周围环境交互信息,以感知和利用在该空间的可用频谱,并限制和降低冲突的发生。CR的学习能力是使它从概念走向实际应用的真正原因。由于VANET的特有属性,对有限资源的频谱使用的要求很高,引入CRN概念,使用CRN中的针对物理层的安全机制,对VANET物理层安全问题的研究有很大帮助和借鉴的价值。在CRN中对物理层的攻击如干扰攻击、重叠认知用户攻击等和VANET中的物理层的一些攻击有很多相似之处。

对于分散型的CR网络,二级用户是通过多跳来相互通信的,且缺少基本构架,这种类型的网络通常使用一个双层安全机制。其中一层安全水平是在物理层和数据链路层使用的安全机制,它用来保护通信中每一跳安全;而另外一层的安全水平是在传输层或者是应用层使用的,它用来保护端到端的通信路径。这种双层安全机制对同样是分散型的VA2NET在理论上一样适用。

对于物理层的频移及相关时延问题,文献[31]中QusayH.Mahmoud提出了两种解决方法:一种是加快频谱感知、分析和切换进程的速度以及对上层协议的透明度;一种是跨层的解决方案,在协议中它

..

把频谱的移动性混合为在上层操作的阶段信息。虽

然这种方法增加了对跨层的依赖性,但是它能够使整个通信协议感知频谱,因此能够更好地在上层协议中防护一些攻击

[31]

。

接收过的包,用于欺骗系统,在各层都有可能发生)等基于时间的攻击行为;

(4)全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)。现有GPS车载设备已很成熟,但多用于车辆的导航等应用,而利用GPS针对车辆安全的研究却很少。因此,利用GPS在跟踪定位上的优势,从物理层安全的角度出发,针对VANET安全问题的研究也是今后的研究方向之一,例如,利用GPS进行时间同步等。参考文献:

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4　现有问题与展望

安全问题是任何网络需要考虑的问题,VANET即是降低了网络的安全性能换取组网的随意性,以及通信的实时性和高效性,这也是很多无线网络面临的共同问题。目前,针对VANET的安全问题研究主要集中在应用层中,很多安全问题的研究都是针对VANET相关应用的,而针对物理层的研究相对很少。作为最底层的物理层的安全问题是很重要的问题,在整个VANET分层网络的安全体系中具有很重要的意义。根据以上章节的分析与讨论,可提出几个问题与未来研究方向:

(1)TPM在VANET中的使用。TPM安全芯片最初的目标是针对PC平台的数据安全,在高速的车载环境下是否同样有效是一个有待研究的问题。但是值得注意的是,TPM验车载软件的有效功能,并且。因此,TPM在VANET物理安全解决方案的很有价值的研究方向,而且对于如Sybil攻击等其它高层的攻击同样可以起到防御效果;

(2)ELP的安全和管理。由于ELP内存储了和车辆相关的信息,这些信息用于VANET相关的很多应用,比如电子交费等。因此这些信息涉及到车辆的隐私问题,ELP的安全问题十分重要,攻击者获得车辆的ELP后可以假冒身份进行攻击,还可以窃取ELP存储的车辆相关信息,用于其它攻击行为。除了ELP自身安全问题外,对于ELP的颁发者,即ELP的上级机构也会成为攻击者的目标。因为颁发

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(3)设备的时间同步。由于VANET的拓扑时刻变化,物理设备的信息时刻在更新,因此设备的时间同步问题也是很重要的。保持时间同步可以有效防御重放攻击(重放攻击是向目的主机发送一个已

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作者简介:

刘　涛(1979-),女,山东人,博士,主要研究方向为网络安全、自组织网络,(电子信箱)liutao_ustb@;

王　尧(1984-),男,河北人,硕士研究生,主要研究方向为网络安全、自组织网络,(电子信箱)romance_58@

;

周贤伟(1963-),男,四川邛崃人,教授,主要研究方向为网络安全、移动通信、认知无线电网络、电磁波,(电子信箱)xwzhouli@;

武晓博(1980-),男,北京人,博士研究生,主要研究方向为网络安全、自组织网络,(电子信箱)wuxiaobo1980@

。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wz74.html