CN103517203B - 资源受限平台的车对车应用程序安全的数据包处理框架 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于资源受限平台的车对车应用程序安全的数据包处理框架，具体提供一种用于车对车通信数据包处理系统的数据包处理框架。所述框架包括用于追踪宿主车辆的相邻车辆的相邻车辆追踪模块。相邻车辆追踪模块为宿主车辆的相邻车辆分派优先等级。自适应安全处理模块根据相邻车辆追踪模块设定的优先级调节流到相邻车辆追踪模块的消息。自适应安全处理模块选择认证模式并且根据相邻车辆追踪模块设定的优先级、传送中的相邻车辆的通信可靠性以及自适应安全处理模块确定的来自相邻车辆的消息为真的可能性来安排流到相邻车辆追踪模块的消息的顺序。相邻车辆追踪模块向至少一个车对车应用程序输出经处理的运动学信息和警报信息。

Description

资源受限平台的车对车应用程序安全的数据包处理框架
技术领域
本发明的实施方式总体上涉及车对车通信。
背景技术
在车对车通信（V2V）中，车辆装配有它们用于互相通信的无线电接口。V2V网络的一个目标是允许启动驾驶员辅助安全应用程序，诸如紧急电子制动灯（EEBL）或盲区警告（BSW）应用程序。V2V安全应用程序依靠无线通信来交换与驾驶条件有关的有用信息。所依靠的交换信息包括运动学信息（例如，在不考虑产生运动的因素（诸如质量和力）的情况下的物体的运动）、路况信息乃至交通信息。处理所述信息以确定是否应该向车辆驾驶员传送警告或建议，以便驾驶员可以做出适当的驾驶操纵。期望驾驶员以对前车转向信号或制动灯或显示在路侧上的警告信号所做的反应相类似的方式使用所述警告/建议并遵照从V2V系统接收的这类警告/建议。因此，必须确保通过V2V系统提供给驾驶员的交换信息的完整性/正确性。
验证所传输的信息的传统网络安全方法是为利用V2V无线通信进行交换的每个消息附加签名或认证标签，并且仅使用经验证签名或认证标签有效的那些消息来产生警报。尽管此方法可以确保V2V安全应用程序所遵照的信息的可靠性，但是却存在在计算资源有限的情况下车辆如何鉴别和处理消息的问题。
与能够进行计算并且具有大存储能力的工作站计算机系统或笔记本电脑相反，汽车计算平台通常具有有限的计算和存储能力。这些有限的计算和存储资源需要根据它们的紧急度被分配给消息。当前车辆中使用的包括先进先出原则的方法不能鉴别已认证的数据的紧急度。其它方法，诸如给消息分派最后期限或要求验证特定消息，可以提高性能，但是不清楚所分派的最后期限或所请求的验证是否可行。这些方法可能被攻击者利用，用以制造会激发紧急最后期限的假消息。
如果车辆具有有限量的计算资源，则车辆可能无法以同样高的准确度追踪从其接收消息的所有车辆。处理策略和安全层需要与可用的有限量的存储和计算能力一起工作。其次，对于相邻车辆，可能需要基于它们对宿主车辆的相对影响给它们分派优先级。此外，由于通信网络通常具有有限的带宽，因此车辆和V2V通信系统内的通信网络是资源受限的。因此，处理测量和安全层需要对来自各个发送车辆的信息的获取或缺乏敏感。最后，处理策略和安全层需要具备应对计算性拒绝服务（DoS）攻击的能力，该攻击可以通过处理假数据包来击溃车辆的资源。
发明内容
本文描述的实施例的优点在于在自适应安全处理模块和V2V应用程序之间进行交互的车辆追踪模块，这提供了基本追踪保证和使V2V应用程序与自适应安全处理模块相互作用的中央接口。因此，车辆追踪模块评估相邻车辆的相对重要性，这使得自适应安全处理模块可以决定如何最佳地分配其有限的计算资源。自适应安全处理模块同时考虑车辆追踪模块传达的车辆优先级、接收者的通信层确定的通信可靠性和自适应安全处理模块自身确定的相邻车辆的确信度。
本发明构想了用于车对车通信数据包处理系统的数据包处理框架，其中，经处理的数据包被选择性地提供给车对车应用程序。所述框架包括用于追踪宿主车辆的相邻车辆的相邻车辆追踪模块。相邻车辆追踪模块为宿主车辆的相邻车辆分派优先等级。自适应安全处理模块根据相邻车辆追踪模块设定的优先级调节流到相邻车辆追踪模块的消息。自适应安全处理模块选择安全模式并且根据相邻车辆追踪模块设定的优先级、传送中的相邻车辆的通信可靠性以及自适应安全处理模块确定的来自相邻车辆的消息为真的可能性来安排流到相邻车辆追踪模块的消息的顺序。相邻车辆追踪模块向至少一个车对车应用程序输出经处理的运动学信息和警报信息。
方案1. 一种用于车对车通信数据包处理系统的数据包处理框架，其中，经处理的数据包被选择性地提供到车对车应用程序，所述框架包括：
相邻车辆追踪模块，其用于追踪宿主车辆的相邻车辆，该相邻车辆追踪模块为宿主车辆的相邻车辆分派优先等级；
自适应安全处理模块，其用于根据相邻车辆追踪模块设定的优先级调节流到相邻车辆追踪模块的消息；
其中，自适应安全处理模块选择认证模式并且根据相邻车辆追踪模块设定的优先级、根据传送中的相邻车辆的通信可靠性以及根据自适应安全处理模块确定的来自相邻车辆的消息为真的可能性来安排流到相邻车辆追踪模块的消息的顺序，并且其中，相邻车辆追踪模块向至少一个车对车应用程序输出经处理的运动学信息和警报信息。
方案2. 根据方案1所述的框架，进一步包括：相邻运动学和警报模块，其在相邻车辆追踪模块和车对车应用程序之间交互，用于向车对车应用程序选择性地提供与相邻车辆相关的经处理的信息。
方案3. 根据方案2所述的框架，其中，所述相邻运动学和警报模块为车对车应用程序提供中央接口以与自适应安全处理模块相互作用。
方案4. 根据方案2所述的框架，其中，所述相邻车辆追踪模块保持与所分派的优先级应得的精确程度相关的运动学信息。
方案5. 根据方案2所述的框架，其中，所述相邻车辆追踪模块包括多个信标模块，其中，每个信标模块追踪特定相邻车辆的运动学相关信息。
方案6. 根据方案5所述的框架，其中，每个信标模块包括估计器，其中，如果从信标消息中取回的信息与当前时间戳不对应，则估计器估计相应时刻的运动学信息。
方案7. 根据方案5所述的框架，其中，所述相邻车辆追踪模块进一步包括相邻优先级子模块，该相邻优先级子模块与相邻运动学和警报模块相互作用，以便根据车对车通信应用程序的需求重新分派消息优先级。
方案8. 根据方案7所述的框架，进一步包括安全处理调度程序，其用于评估哪些分配消息将排队等待验证，其中，所述相邻优先级子模块向安全处理调度程序提供被追踪的每个相邻车辆的优先级数据。
方案9. 根据方案8所述的框架，其中，相邻数据包可靠性估计器子模块向安全处理调度程序提供通信可靠性信息。
方案10. 根据方案1所述的框架，进一步包括消息分类器，其用于将输入相邻车辆追踪模块的输入消息分类为信标或警报之一，其中，被分类为警报的输入消息被导向相邻运动学和警报模块，并且其中，被分类为信标的输入信息被导向多个信标模块之一。
方案11. 根据方案1所述的框架，进一步包括人机接口，其用于与至少一个车对车通信应用程序相互作用，以便向车辆驾驶员输出警报。
方案12. 根据方案1所述的框架，其中，所述相邻车辆追踪模块包括新信标通道产生器，其用于响应于源自之前未遇到的车辆的信标消息为相应的信标消息产生新的信标子模块。
方案13. 根据方案1所述的框架，其中，自适应安全处理模块包括多个标识符，其中，来自相应相邻车辆的消息存储在相应的标识符中。
方案14. 根据方案13所述的框架，其中，每个标识符包括用于存储所接收的消息的缓冲区。
方案15. 根据方案14所述的框架，其中，每个标识符包括确信度管理器，其用于提供指示将如何设置缓冲区中所存储的消息的优先级以便进行验证的置信因数。
方案16. 根据方案15所述的框架，其中，每个标识符包括模式选择器，其与缓冲区及确信度管理器相互作用，该模式选择器选择将验证缓冲区中的哪个消息。
方案17. 根据方案16所述的框架，其中，所述模式选择器选择用于认证所选择的消息的认证模式。
方案18. 根据方案13所述的框架，其中，所述自适应安全处理模块进一步包括安全处理调度程序，该安全处理调度程序与标识符中的每个相互作用，以便选择性地设置哪个标识符消息应该被取回以便验证的优先级。
方案19. 根据方案1所述的框架，其中，所述自适应安全处理模块进一步包括分类器，其中，从接收者接收的消息基于消息的密码证书被分类以便丢弃。
方案20. 根据方案1所述的框架，其中，所述相邻车辆追踪模块包括新标识符产生器，其用于响应于源自之前未遇到的车辆的接收消息为相应的接收消息产生标识符子模块。
附图说明
图1是用于车对车通信系统的数据包处理模块的高级别框图。
图2是自适应安全处理模块的框图。
图3是相邻车辆追踪模块的框图。
具体实施方式
图1示出了用于安全的车对车（V2V）通信的数据包处理模块的框图。通信模块10提供允许在多点网络内进行通信的寻址和信道控制机制。通信模块10关注梳理和选择通信接口上接收的消息以便进行进一步处理（例如根据DSRC（专用短程通信）标准）。这里不详细讨论关于所接收的消息是否从通信模块10前进而用于安全处理的决定并且可以通过任意已知途径（例如DSRC）来执行所述过程。
在所接收的消息从通信模块10前进而用于安全处理之后，自适应安全处理模块20确定如何能够执行与安全处理相关的各种功能。具体地，自适应安全处理模块20做出关于应该分析哪个消息以便进行安全性排序的决定，该安全性排序将使得那些关键的相邻车辆消息变得首先可用。
相邻车辆追踪模块30以适当的准确度追踪相邻车辆并且经由相邻运动学和警报模块40向V2V应用程序50提供相邻车辆的运动学数据和警报。相邻车辆追踪模块30在追踪车辆时运用智能。相邻车辆追踪模块30向不同车辆分派不同的优先等级并且仅以车辆各自相应的优先等级所应得的准确水平来追踪车辆。相邻车辆追踪模块30还向自适应安全处理模块20提供反馈，从而通过自适应安全处理模块20将经适当认证的消息反馈到相邻车辆追踪模块30。
自适应安全处理模块20提出的处理决定需要基于（i）相邻车辆追踪模块30指定的相邻优先级；（ii）由通信模块10维持的从特定相邻车辆接收消息的通信可靠性；以及（iii）自适应安全处理模块20对验证过程成功可能性的确信度。需要通过平衡来自每个不同加密证书的所有数据包的所有认证选择来执行这类决定。因此，从每个不同加密证书发出的数据包作为区别的数据包流被处理以选择应该被安全调度程序分析的相应数据包，这会使得可以获得最关键的相邻信息。
V2V应用程序50从相邻车辆追踪模块30获取信息并且推断具体假设。然后可以进一步处理V2V应用程序50推断的假设（该假设具有足够的可信度或由于后果而具有足够的紧急度），并且通过相应V2V应用程序50的人机接口提醒车辆驾驶员。利用相邻车辆追踪模块30所提供的信息的V2V应用程序的例子可以包括紧急电子制动灯（EEBL）应用程序，制动困难的车辆凭借该程序传输关于难以采取制动动作的无线V2V消息。V2V应用程序的另一个例子是盲区警告（BSW）应用程序，该程序连续追踪宿主车辆周围的车辆的轨迹并且当其盲区之一中出现车辆时警示驾驶员。
图2是自适应安全处理模块20的框图。应该理解，图2示出的实线表示V2V通信数据的交换和/或对V2V通信数据的处理，而虚线表示控制信息的交换。自适应安全处理模块20包括用于从通信模块10接收输入消息19的接收消息分类器21。基于它们各自的加密证书对输入的接收消息进行分类。加密证书可以包括但不限于数字证书、证书密钥、匿名数字证书或假名。
多个标识符块22各自被分派以相应的标识符。也就是说，如果输入消息源自之前已经遇到过的标识符，则该输入消息被分派到那个相应的标识符块。如果输入消息源自尚未遇到过的标识符，则创建用于存储和记录来自该标识符的消息的新通道，诸如块23大体示出的通道。
标识符块中的每个包括缓冲区24、确信度管理器25和模式选择器26。缓冲区24用于存储与相应标识符相关的发送者所接收的所有消息。确信度管理器25确定验证操作成功的置信因数。模式选择器26利用置信因数以及其它因数，以便确定应该如何设定相应标识符缓冲区24内的消息的验证优先级。此外，模式选择器26确定应该使用哪种认证模式来进行验证。各种广播认证方案或认证模式提供处理数据包的各种选择。认证模式或仅“模式”是可以验证消息的方式。例如，如果消息具有与两种广播认证方案相关的两个认证标签，则验证任意一个都是不同的模式。即使消息仅具有一个认证标签，验证它或丢弃它也可以被认为是两种不同的模式。对于专用的广播认证方案，存在延迟认证或认证不精确信息并回报以较低的资源消耗的权衡。在这类情形中，接收车辆可以容许优先级较低的发送者的延迟的和不精确的信息，但是对于优先级较高的发送者可以坚持即时的和精确的信息。可以使用的广播认证方案的例子包括但不限于ECDSA、TADS和Winternitz一次性签名方案。
安全处理调度程序27确定应该选择哪个标识符来验证排队等待验证的信息。安全处理调度程序27的决定是关于来自所有流消息的所有数据包的所有认证选择的整个选择范围的。安全处理调度程序27基于各种准则做此决定，所述准则包括每个标识符内的模式选择块的决定、相邻优先级块分派的优先级（即来自相邻车辆追踪模块30的优先级）、相邻数据包可靠性估计器29估计的数据包接收可靠性（即来自通信模块10）、多个确信度管理器25估计的与验证操作的成功相关的确信度。
在验证操作之后，更新适当的确信度管理器。安全处理调度程序27的决定使信息选择性地流到相邻车辆追踪模块30。
相邻车辆追踪模块30利用（i）相邻优先级子模块，相邻车辆追踪模块通过该相邻优先级子模块、基于用于推断涉及宿主车辆的危险驾驶情况的假设的车辆重要性、将不同优先等级分派给不同车辆；以及（ii）相邻运动学和警报模块，其中，相邻车辆追踪模块保持相邻运动学数据处于所分派的相应优先级应得的准确程度中。因此，相邻车辆追踪模块30避免试图以相同的准确度访问所接收的所有消息的困难。更确切地说，相邻车辆追踪模块30考虑到不需要以相同的准确度追踪所有车辆，因为来自可能更近、更快和更重要的车辆的消息会需要更多的分析，以便推断与宿主车辆相关的潜在碰撞或危险情况的假设。
图3是相邻车辆追踪模块30的框图。应该理解，图3中示出的实线表示V2V通信数据的交换和/或对V2V通信数据的处理，而虚线表示控制信息的交换。从自适应安全处理模块20传递到相邻车辆追踪模块30的已认证消息31首先被分类为警报38和信标39。信标39是所有车辆在V2V通信系统中重复广播的运动学状态更新。警报38是警告诸如难以制动或路况（例如路面上的冰）之类特定事件的消息。警报38被直接提供到相邻运动学和警报模块40，该模块负责与V2V应用程序进行最后的相互作用，从而给出相应V2V应用程序产生假设所需的所有信息。
在相邻车辆追踪模块30中还示出了多个信标子模块32。信标子模块32用于追踪相邻车辆的运动。每个信标子模块32对应于一个被追踪车辆。如果输入信标消息源自已经遇到过的标识符，则将该输入信标消息被分派到那个相应的信标。如果输入消息源自宿主车辆尚未遇到过的标识符，则产生用于存储和记录来自新标识符的信标轨迹的新信标通道，诸如在块33大体示出的信标通道。
信标消息的内容提供与相邻车辆相关的最新更新信息。该信息被提供到更新器34，该更新器34保持与信标消息内容相关的最新信息。如果由于一些原因最新信息不与当前时间戳对应，则经由预计器35预计当前信息。经由估计器子模块36执行信息的预计。例如，令宿主车辆A的当前时间为中午。此时，来自车辆B的最新更新存在于车辆A的V2V计算机中，其是时间戳为11:45AM的数据包。由于各种原因，可能延迟接收此数据包。这类原因包括：在车辆B的计算机处的处理和排队延迟；或访问无线信道以传输数据包时的延迟；或在车辆A的计算机的安全层处的处理和排队延迟。在中午（即当前时刻），车辆A可以利用最新数据包更新车辆B的运动学参数和车辆B的估计器块中的变量。利用预计器估计车辆B的当前运动学状态。因此，更新器34包含最新的已知运动学数据，而预计器35保存当前已知或预计的运动学数据，并且估计器36保存描绘车辆B的移动性并执行所述预计的过滤引擎的参数。信标子模块32中的每个包括通过输入信标消息持续更新参数的相应估计器子模块36。通过相邻运动学和警报模块40处理从相邻车辆最后接收和/或预计的信息。
相邻优先级子模块37分析关于每个相邻车辆的最新接收或预计信息并且更新每个被追踪车辆的优先级分派。相邻优先级子模块37还与自适应安全处理模块20相互作用，以影响消息向相邻车辆追踪模块30的流动。相邻优先级子模块37与自适应安全处理模块20之间的相互作用为被传送到自适应安全处理模块20的V2V应用程序建立优先级。此机制不存在于诸如先进先出的极简单方法中。
与相邻优先级子模块37直接通信的相邻运动学和警报模块40为V2V应用程序50提供中央接口以进行相互作用。V2V应用程序50与人机接口（HMI）52直接交互，以发出HMI警报。这些警报可以显示给可以基于HMI警报内容采取行动的驾驶员。
相邻运动学和警报模块40还与相邻优先级子模块37相互作用，以根据应用程序的要求再次分派优先级。应该注意，在简单的现有技术相互作用模式中，单独的应用程序（例如EEBL或BSW）可以直接询问安全层在最后期限内验证和处理的具体消息。相邻车辆追踪模块30的优点是自适应安全处理模块20和V2V应用程序50之间的交互，这提供了基本追踪保证和使应用程序与自适应安全处理模块20相互作用的中央接口。因此，相邻车辆追踪模块30经由相邻优先级子模块37影响自适应安全处理模块20的安全处理时序安排。
尽管已经详细描述了本发明的某些实施例，但是熟悉本发明所属领域的技术人员可以认识到由所附权利要求限定的用于实践本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (20)

1.一种用于车对车通信数据包处理系统的数据包处理模块，其中，经处理的数据包被选择性地提供到车对车应用程序，所述模块包括：
相邻车辆追踪模块，其用于追踪宿主车辆的相邻车辆，该相邻车辆追踪模块为宿主车辆的相邻车辆分派优先等级；
自适应安全处理模块，其用于根据相邻车辆追踪模块设定的优先级调节流到相邻车辆追踪模块的消息；
其中，自适应安全处理模块选择认证模式并且根据相邻车辆追踪模块设定的优先级、根据传送中的相邻车辆的通信可靠性以及根据自适应安全处理模块确定的来自相邻车辆的消息为真的可能性来安排流到相邻车辆追踪模块的消息的顺序，并且其中，相邻车辆追踪模块向至少一个车对车应用程序输出经处理的运动学信息和警报信息。
2.根据权利要求1所述的模块，进一步包括：相邻运动学和警报模块，其在相邻车辆追踪模块和车对车应用程序之间交互，用于向车对车应用程序选择性地提供与相邻车辆相关的经处理的信息。
3.根据权利要求2所述的模块，其中，所述相邻运动学和警报模块为车对车应用程序提供中央接口以与自适应安全处理模块相互作用。
4.根据权利要求2所述的模块，其中，所述相邻车辆追踪模块保持与所分派的优先级应得的精确程度相关的运动学信息。
5.根据权利要求2所述的模块，其中，所述相邻车辆追踪模块包括多个信标模块，其中，每个信标模块追踪特定相邻车辆的运动学相关信息。
6.根据权利要求5所述的模块，其中，每个信标模块包括估计器，其中，如果从信标消息中取回的信息与当前时间戳不对应，则估计器估计相应时刻的运动学信息。
7.根据权利要求5所述的模块，其中，所述相邻车辆追踪模块进一步包括相邻优先级子模块，该相邻优先级子模块与相邻运动学和警报模块相互作用，以便根据车对车通信应用程序的需求重新分派消息优先级。
8.根据权利要求7所述的模块，进一步包括安全处理调度程序，其用于评估哪些分配消息将排队等待验证，其中，所述相邻优先级子模块向安全处理调度程序提供被追踪的每个相邻车辆的优先级数据。
9.根据权利要求8所述的模块，其中，相邻数据包可靠性估计器子模块向安全处理调度程序提供通信可靠性信息。
10.根据权利要求1所述的模块，进一步包括消息分类器，其用于将输入相邻车辆追踪模块的输入消息分类为信标或警报之一，其中，被分类为警报的输入消息被导向相邻运动学和警报模块，并且其中，被分类为信标的输入信息被导向多个信标模块之一。
11.根据权利要求1所述的模块，进一步包括人机接口，其用于与至少一个车对车通信应用程序相互作用，以便向车辆驾驶员输出警报。
12.根据权利要求1所述的模块，其中，所述相邻车辆追踪模块包括新信标通道产生器，其用于响应于源自之前未遇到的车辆的信标消息为相应的信标消息产生新的信标子模块。
13.根据权利要求1所述的模块，其中，自适应安全处理模块包括分配有相应的标识符的多个标识符块，其中，来自相应相邻车辆的消息存储在相应的标识符块中。
14.根据权利要求13所述的模块，其中，每个标识符块包括用于存储所接收的消息的缓冲区。
15.根据权利要求14所述的模块，其中，每个标识符块包括确信度管理器，其用于提供指示将如何设置缓冲区中所存储的消息的优先级以便进行验证的置信因数。
16.根据权利要求15所述的模块，其中，每个标识符块包括模式选择器，其与缓冲区及确信度管理器相互作用，该模式选择器选择将验证缓冲区中的哪个消息。
17.根据权利要求16所述的模块，其中，所述模式选择器选择用于认证所选择的消息的认证模式。
18.根据权利要求13所述的模块，其中，所述自适应安全处理模块进一步包括安全处理调度程序，该安全处理调度程序与标识符中的每个相互作用，以便选择性地设置哪个标识符消息应该被取回以便验证的优先级。
19.根据权利要求1所述的模块，其中，所述自适应安全处理模块进一步包括分类器，其中，从接收者接收的消息基于消息的密码证书被分类以便丢弃。
20.根据权利要求1所述的模块，其中，所述相邻车辆追踪模块包括新标识符产生器，其用于响应于源自之前未遇到的车辆的接收消息为相应的接收消息产生标识符子模块。
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