CN104010302A - 车载自组织网络路况数据信任评价方法 - Google Patents

Abstract

一种车载自组织网络路况数据信任评价方法，包括：车辆入网认证、路况数据广播和验证、路况数据信任评价，实现车载网络的车辆动态寻路功能。本发明既满足了车载网络中车辆实时计算最优路径的需求，又在其网络保证了数据完整性和可信度的安全性能。本发明基于802.11协议族的无线网络通信标准，便于在基于802.11链路建立的车载网络中应用。本发明提出的算法和数据结构简单，不仅确保了兼容性和灵活性，而且易于实现。

Description

车载自组织网络路况数据信任评价方法

技术领域

本发明涉及车辆自组织网络技术领域，具体是一种车载自组织网络路况数据信任评价方法。

背景技术

城市交通问题一直是全球关注的重要问题。利用动态寻路(Dynamic RoutingPlan)是解决这一问题的手段之一，车辆利用本地的电子地图和从车载自组织网络中收集到的路况信息，动态地调整行驶路线，避开拥堵路段。一般车载自组织网络应用着重于有效转发路况信息，改善车辆行程时间，而对于车辆发送的路况信息本身的有效性和真实性不予鉴别。这给恶意节点篡改、伪造路况信息提供了便利，因此在车载自组织网络的路由应用中引入信任评价方法对于改善一般寻路应用的鲁棒性有重要意义。

在自组织(Ad-Hoc)网络中，常见信任评价方法描述信任一般针对每个实体(车辆)。但是车辆之间再次相遇的概率较低，基于实体间的信任难以取得足够数据，容易造成误解，同时车辆在道路上会遇到相当数量的其他车辆，维护信任列表的开销过大。

大部分车载自组织网络动态寻路应用都利用路况数据进行寻路，因此直接利用基于数据的信任来判断路况数据的有效性，相比实体信任模式在判断出实体是否可信后，再判断其提供的路况数据有效性更加简单有效。同时，基于数据的信任不需要引入过多额外的信息交换，减少了车辆之间的通信开销，也不存在基于实体信任的诸多问题，适用于验证路况数据的有效性。

一般信任评价方法采用投票方式、贝叶斯方法(Bayesian Inference，简称BI)或Dempster-Shafer理论(简称D-S理论)来描述信任。D-S理论在表达不确定性(Uncertainty)和度量上灵活简便，推理机制也非常直观。投票方式容易出现恶意节点以少量优势赢得投票的局面，而D-S理论处理这一情况会产生非常大的不确定度，表明数据分歧很大，为用户进一步理性选择提供了帮助。BI处理明确对立的情况有非常明显的优势，对于车辆在行驶过程中产生的路况数据，由于道路环境复杂，不确定因素较多，因此路况数据本身的不确定度非常大，用D-S理论代替BI来描述其信任更具优势。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种车载自组织网络路况数据信任评价方法，通过在车载自组织网络系统中对网络数据进行完整性控制，并进行数据信任合成，来满足车载自组织网络中路况数据安全的需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种车载自组织网络路况数据信任评价方法，包括以下步骤：

第一步，车辆经车辆管理机构认证后加入车载自组织网络，成为合法车载自组织网络节点；

第二步，在行驶过程中，当车辆检测到道路状况为拥挤，则向车载自组织网络中其他车辆发送该路况数据，同时，车辆接收其他车辆发送的路况数据，并在通过验证后，更新到本地地图中；

当车辆行驶到路口时，车辆进行本地地图更新操作，并进行动态寻路。

所述的第一步，经车辆管理机构认证，具体是：

车辆在等待加入车载自组织网络时，向车辆管理机构发送其车辆信息，由车辆管理机构进行认证，认证完成后车辆管理机构向身份密码私钥产生机构发送确认信息，由身份密码私钥产生机构分发对应的身份密码密钥，获得认证的车辆成为合法车载自组织网络节点，进行数据通信；另外车辆管理机构还会在认证完成后向车辆发送初始的本地地图，车辆接受后保存在本地。

所述的第一步中车辆管理机构是指：对车辆信息进行验证和管理维护的机构，有能力验证车辆信息的合法性和唯一性。

所述的第一步中车辆信息是指：任何可以表明车辆身份的信息，一般为车辆的牌照号和车主身份证这类固定信息。

所述的第一步中身份密码是指：一种建立在大整数因子分解问题基础上的身份密码机制，有别于一般非对称加密算法，该方法使用用户的身份信息来加密和签名数据。

第一步中所述私钥产生机构是指：身份密码中密钥的产生机构。用户在向PKG提交车辆信息时，由PKG生成对应的私钥并发布给该用户。

第一步中所述的本地地图是指：车辆本地存储的道路信息数据库。内部存储了以路段信息为键，以道路通行时间为值的数据。车辆能够改变其中的数据以满足实时寻找最优路径的需求。

第一步中所述的合法车载自组织网络节点是指：具备与其它网络结点通信能力的节点，所有通过了认证后加入车载自组织网络的节点都成为合法的车载自组织网络节点，合法的车载自组织网络节点可以在网络内发送和接收各类数据通信的数据包。

所述的第二步，当车辆检测到道路状况为拥挤，具体方法如下：

①比较在当前道路的行驶时间和本地地图数据中对应道路的道路通行时间，如果行驶时间较大，判断道路状况为拥挤，使用其自己的身份密码密钥进行路况数据签名，并广播路况数据和签名，否则，判断道路状况为不拥挤；

②其它车辆接收到路况数据和签名后，验证该路况数据和签名的完整性：

当验证通过时，则将路况数据保存到本地缓存路况数据库，具体是：车辆在本地缓存路况数据库中查找是否有对应车辆信息和路段信息的路况数据，当没有对应数据时，新建该路况数据；当有对应数据时，比较路况数据的时间戳，保存新的路况数据；

当验证不通过时，则丢弃该数据包。

所述的第二步中路况数据是指：车辆对于道路拥堵情况的描述数据。包括车辆信息，路段信息，车辆通行时间，时间戳。这是车辆间进行道路情况交换的基本要素。

所述的第二步中本地缓存路况数据库是指：车辆本地存储空间中存储接受的路况数据的数据库。以路段信息和车辆信息为键，以路况数据为值的数据格式存储数据。本地缓存路况数据库能根据存储空间的大小调整存储数据的数量。

所述的第二步中当车辆行驶到路口时，车辆进行本地地图更新操作，具体为相同路段的每一条路况数据之间进行信任评价，对受信车辆发送的路况数据给出很高的信任评价。之后对每一条路况数据合成信任评价。比较路况数据信任评价中的可信度，取可信度最大并超过阈值的更新到本地地图中。

所述第二步中信任评价是指：各路况数据之间根据车辆通行时间的相似程度给出的信任度表示：

当通行时间A与通行时间B之间的差值绝对值小于等于B的10％时，得出通行时间A的路况数据为高信任度、零非信任度和低不确定度；

当通行时间A与通行时间B之间的差值绝对值大于B的10％但小于等于30％时，得出通行时间A为低信任度、零非信任度和高不确定度；

当通行时间A与通行时间B之间的差值绝对值大于B的30％时，得出通行时间A路况数据为零信任度、较高的非信任度和较低的不确定度。具体的数值可由具体应用根据环境进行设计。

所述第二步中阈值是指：由应用定义的信任度可信值。当信任度超过阈值时，表明数据不确定度较小，采集的路况数据可以采用。

所述的第二步中动态寻路是指：车辆根据本地地图中的道路通行时间，对选定目的位置利用迪杰斯特拉算法计算出通行时间最短的通行路径。

与现有技术相比，本发明既满足了车载自组织网络动态寻路的需求，又增加了路况数据的可靠性。本发明基于802.11协议族的无线网络通信标准，便于在基于802.11链路建立的车载自组织网络中应用。本发明提出的存储结构和处理流程简单，不仅确保了兼容性和灵活性，而且易于实现。

附图说明

图1为本发明方法示意图。

图2为路况数据结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种车载自组织网络路况数据信任评价方法，包括以下步骤：

第一步，车辆在等待加入车载自组织网络时，向车辆管理机构发送其车辆信息，由车辆管理机构进行认证，认证完成后车辆管理机构向身份密码私钥产生机构发送确认信息，由身份密码私钥产生机构分发对应的身份密码密钥，获得认证的车辆成为合法车载自组织网络节点，进行数据通信；另外车辆管理机构还会在认证完成后向车辆发送初始的本地地图，车辆接受后保存在本地。

所述的车辆管理机构是指：对车辆信息进行验证和管理维护的机构，有能力验证车辆信息的合法性和唯一性。车辆管理机构还负责分发初始的本地地图等数据。

所述的车辆信息是指：可以表明车辆身份的信息，一般为车辆的牌照号和车主身份证这类固定信息。

所述的身份密码(Identity-Based Cryptosystems,简称IBC)是指：一种建立在大整数因子分解问题基础上的身份密码机制，有别于一般非对称加密算法，该方法使用用户的身份信息来加密和签名数据。

所述的私钥产生机构(PKG)是指：身份密码中密钥的产生机构。根据用户提交的车辆信息，由PKG生成对应的私钥并发布给该用户。

所述的身份密码密钥是指：使用车辆的牌照号为公钥，使用身份密码生成对应私钥。这些密钥可以用以加密和签名，也能够被撤销。

所述的数据通信是指：车辆采用IEEE802.11p或之前的无线通信协议进行数据交换。

所述的本地地图是指：车辆本地存储的道路信息数据库。内部存储了以路段信息为键，以道路通行时间为值的数据。车辆能够改变其中的数据以满足实时寻找最优路径的需求。

第二步，当车载自组织网络内任意一个合法车载自组织网络节点在行驶过程中，比较在当前道路的行驶时间和本地地图数据中对应道路的道路通行时间，如果行驶时间较大，判断道路拥堵，使用其自己的身份密码密钥进行路况数据签名，并广播路况数据和签名。

所述的合法车载自组织网络节点是指：具备与其它网络结点通信能力的节点。所有通过了认证后加入车载自组织网络的节点都成为合法的车载自组织网络节点，合法的车载自组织网络节点可以在网络内发送和接收各类数据通信的数据包。

所述的路况数据是指：车辆对于道路拥堵情况的描述数据。包括车辆信息，路段信息，车辆通行时间，时间戳。这是车辆间进行道路情况交换的基本要素。

所述的时间戳是指：车辆产生路况数据时的时间。采用年-月-日-24式时-分-秒的数据格式。

所述的签名是指：利用MD5对路况数据产生128位散列值，再利用身份密码的签名方法对散列值进行加密，产生路况数据的签名。

所述的广播是指：车辆采用IEEE802.11_p发送路况数据以及签名，这种发送没有目的节点，任何在通信范围内有能力接受数据的节点都可以获得这些信息。

第三步，其它车辆接收到路况数据和签名后，验证该路况数据和签名完整性，验证通过，将路况数据保存到本地缓存路况数据库，具体如下：车辆在本地缓存路况数据库中查找是否有对应车辆信息和路段信息的路况数据，当没有对应数据时，新建该路况数据；当有对应数据时，比较路况数据的时间戳，保存新的路况数据；验证不通过，则丢弃该数据包。

所述的数据和签名完整性是指：用车辆信息解密签名后和收到路况数据的散列值进行比较，一致则表明路况数据没有被篡改。

所述的本地缓存路况数据库是指：车辆本地存储空间中存储接受的路况数据的数据库。以路段信息和车辆信息为键，以路况数据为值的数据格式存储数据。本地缓存路况数据库能根据存储空间的大小调整存储数据的数量。

第四步，车辆在接近路口时，进行本地地图更新操作，重新进行动态寻路。

所述的动态寻路是指：车辆根据本地地图中的道路通行时间，对选定目的位置利用迪杰斯特拉算法计算出通行时间最短的通行路径。由于本地地图中的道路通行时间会实时变化，因此这种寻路需要实时计算，因此称为动态的。

更新操作具体包括：相同路段的每一条路况数据之间进行信任评价，特别的，对受信车辆发送的路况数据给予很高的信任评价。

所述的信任评价是指：路况数据之间根据车辆通行时间的相似程度给出的信任度表示。采用Dempster-Shafer理论(简称D-S理论)来描述信任，格式为(X,Y,Z)，分别表示信任度，非信任度和不确定度。X,Y,Z都大于0，且三者和为1。通行时间非常接近时，得出较高的信任度、零非信任度和较低的不确定度；通行时间有一定差距时，得出较低的信任度、零非信任度和较高的不确定度；通行时间相差很大时，得出零信任度、较高的非信任度和较低的不确定度。具体的数值可由具体应用根据环境进行设计。

所述的受信车辆是指：系统中受到其他车辆信任的车辆，一般为公交车辆等行驶路线固定，行驶时间波动不大的车辆。这些车辆提供的路况数据一般最为符合道路实际情况。这些车辆的车辆信息需要特殊标识予以辨识，由车辆信息认证机制和密钥分发规则保证了一般车辆无法分配这些特殊的车辆信息。

之后对每一条路况数据合成信任评价。比较路况数据信任评价中的信任度，取信任度最大并超过阈值的更新到本地地图中。

所述的合成信任评价是指：两个不同的信任评价之间的加和，计算出一个新的信任评价。以(X₁,Y₁,Z₁)加和(X₂,Y₂,Z₂)为例，公式如下：

计算信任度： $X_1\⊕X_2=\frac{1}{K}(X_1{X}_2+X_1{Z}_2+Z_1{X}_2)$

计算非信任度： $Y_1\⊕Y_2=\frac{1}{K}(Y_1{Y}_2+Y_1{Z}_2+Z_1{Y}_2)$

计算不确定度： $Z_1\⊕Z_2=\frac{1}{K}\left(Z_1{Z}_2\right)$

其中，K＝X₁X₂+X₁Z₂+Z₁X₂+Y₁Y₂+Y₁Z₂+Z₁Y₂+Z₁Z₂

所述的阈值是指：由应用定义的信任度可信值。当信任度超过阈值时，表明数据不确定度较小，采集的路况数据可以采用。

所述的更新本地地图是指：在本地地图中，更新对应路段信息的道路通行时间。使本地地图的数据符合实时的道路情况。

否则，当无法超过阈值，表明数据不确定度过大，并不更新本地地图。这种情况下，车辆可选择采集更多邻居车辆广播的数据后给出判断。

所述的邻居车辆是指：所有发送数据包都能被本车辆接收到的车辆。这些车辆采集数据更多，更能反映道路实际的通行情况。

实施例：如图1所示，包括以下步骤：

1)车辆A还未加入到车载自组织网络中，为了能够使用动态寻路等车载自组织网络的功能，它向车辆管理机构提供其车辆信息来进行验证(1)

2)经由车辆管理机构验证车辆A提供的车辆信息属实，向私钥产生机构发送确认信息(2),同时向车辆发送初始的本地地图(3)，车辆接受后保存在本地。私钥产生机构向车辆A发送身份密码密钥(4)。车辆A完成认证过程，成为合法的车载自组织网络节点。

3)上述步骤2)的验证失败后，该车辆将无法加入到车载自组织网络中，无法获得签名路况数据所用的密钥。验证失败信息将被车辆管理机构记录，短时间内，该车辆将无法再一次请求进行验证请求。

4)车载自组织网络合法车辆B在行驶过程中检测到道路L拥堵，产生了路况数据，并用身份密码密钥进行签名，广播了路况数据和签名(5)，被车辆A接受。车辆A收到B发送的数据，验证完整性通过，由于之前没有收到过车辆B对于道路L的路况数据，因此在车辆A的本地缓存路况数据库中新建这条路况数据。

5)车载自组织网络恶意车辆C在收到B发送的路况数据和签名后，为了误导其他车辆，篡改其路况数据中的车辆通行时间，再次发送篡改过的路况数据和签名(6)，被车辆A接受。车辆A收到C发送的数据，验证完整性不通过，直接丢弃该数据包。

6)车载自组织网络恶意车辆D在行驶过程中检测到道路L拥堵，产生了虚假的路况数据，以掩盖道路拥堵情况，误导其他车辆。车辆D用身份密码密钥进行签名，广播了路况数据和签名(7)，被车辆A接受。车辆A收到D发送的数据，验证完整性通过，在车辆A的本地缓存路况数据库中新建这条路况数据。

7)车辆A在接下来的行驶过程中，陆续收到其他车辆关于道路L的路况数据。当车辆A需要重新动态寻路前，对道路L的每一条路况数据之间进行信任评价：车辆B和车辆D之间由于数据差距悬殊，相互给出了得出零信任度、较高的非信任度和较低的不确定度。由于正常车辆在网络中占比较多，车辆B的路况数据会受到更多好的信任评价。车辆D由于发送的数据不符合实际情况，得到正常数据的信任评价普遍较差，最终合成的信任评价较差。全部评价完成后，车辆B的正常路况数据合成出最好的信任评价，并且信任评价超过应用所设阈值，被选为道路L的实际路况。车辆A选择车辆B发送的路况数据更新到本地地图中。

Claims (15)

1.一种车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征在于，包括以下步骤： 

第一步，车辆经车辆管理机构认证后加入车载自组织网络，成为合法车载自组织网络节点； 

第二步，在行驶过程中，当车辆检测到道路状况为拥挤，则向车载自组织网络中其他车辆发送该路况数据，同时，车辆接收其他车辆发送的路况数据，并在通过验证后，更新到本地地图中； 

当车辆行驶到路口时，车辆进行本地地图更新操作，并进行动态寻路。 

2.根据权利要求1所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征在于，所述的第一步，经车辆管理机构认证，具体是： 

车辆在等待加入车载自组织网络时，向车辆管理机构发送其车辆信息，由车辆管理机构进行认证，认证完成后车辆管理机构向身份密码私钥产生机构发送确认信息，由身份密码私钥产生机构分发对应的身份密码密钥，获得认证的车辆成为合法车载自组织网络节点，进行数据通信；另外车辆管理机构还会在认证完成后向车辆发送初始的本地地图，车辆接受后保存在本地。 

3.根据权利要求1所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征在于，所述的第二步，当车辆检测到道路状况为拥挤，具体方法如下： 

①比较在当前道路的行驶时间和本地地图数据中对应道路的道路通行时间，如果行驶时间较大，判断道路状况为拥挤，使用其自己的身份密码密钥进行路况数据签名，并广播路况数据和签名，否则，判断道路状况为不拥挤； 

②其它车辆接收到路况数据和签名后，验证该路况数据和签名的完整性： 

当验证通过时，则将路况数据保存到本地缓存路况数据库，具体是：车辆在本地缓存路况数据库中查找是否有对应车辆信息和路段信息的路况数据，当没有对应数据时，新建该路况数据；当有对应数据时，比较路况数据的时间戳，保存新的路况数据； 

当验证不通过时，则丢弃该数据包。 

4.根据权利要求1所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征在于，所述的第二步中当车辆行驶到路口时，车辆进行本地地图更新操作，具体 为相同路段的每一条路况数据之间进行信任评价，对受信车辆发送的路况数据给出很高的信任评价，之后对每一条路况数据合成信任评价。比较路况数据信任评价中的可信度，取可信度最大并超过阈值的更新到本地地图中。 

5.根据权利要求4所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征是，所述的信任评价是指：各路况数据之间根据车辆通行时间的相似程度给出的信任度表示： 

当通行时间A与通行时间B之间的差值绝对值小于等于B的10％时，得出通行时间A的路况数据为高信任度、零非信任度和低不确定度； 

当通行时间A与通行时间B之间的差值绝对值大于B的10％但小于等于30％时，得出通行时间A为低信任度、零非信任度和高不确定度； 

当通行时间A与通行时间B之间的差值绝对值大于B的30％时，得出通行时间A路况数据为零信任度、较高的非信任度和较低的不确定度。具体的数值可由具体应用根据环境进行设计。 

6.根据权利要求1所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征在于，所述的第二步中动态寻路是指：车辆根据本地地图中的道路通行时间，对选定目的位置利用迪杰斯特拉算法计算出通行时间最短的通行路径。 

7.根据权利要求1所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征是，第一步中所述的车辆管理机构是指：对车辆信息进行验证和管理维护的机构，有能力验证车辆信息的合法性和唯一性。 

8.根据权利要求2所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征是，所述的车辆信息是指：任何可以表明车辆身份的信息，一般为车辆的牌照号和车主身份证这类固定信息。 

9.根据权利要求2所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征是，所述的身份密码是指：一种建立在大整数因子分解问题基础上的身份密码机制，用用户的身份信息来加密和签名数据。 

10.根据权利要求2所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征是，所述私钥产生机构是指：身份密码中密钥的产生机构，用户在向PKG提交车辆信息时，由PKG生成对应的私钥并发布给该用户。 

11.根据权利要求1所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征是，第二步中所述的本地地图是指：车辆本地存储的道路信息数据库。内部存 储了以路段信息为键，以道路通行时间为值的数据。车辆能够改变其中的数据以满足实时寻找最优路径的需求。 

12.根据权利要求1所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征是，所述的合法车载自组织网络节点是指：具备与其它网络结点通信能力的节点，所有通过了认证后加入车载自组织网络的节点都成为合法的车载自组织网络节点，合法的车载自组织网络节点可以在网络内发送和接收各类数据通信的数据包。 

13.根据权利要求1所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征是，第二步中所述的路况数据是指：车辆对于道路拥堵情况的描述数据，包括车辆信息，路段信息，车辆通行时间，时间戳。 

14.根据权利要求2所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征是，所述的本地缓存路况数据库是指：车辆本地存储空间中存储接受的路况数据的数据库，以路段信息和车辆信息为键，以路况数据为值的数据格式存储数据。，地缓存路况数据库能根据存储空间的大小调整存储数据的数量。 

15.根据权利要求4所述的车载自组织网络路况数据信任评价方法，其特征是，所述的阈值是指：由应用定义的信任度可信值，当信任度超过阈值时，表明数据不确定度较小，采集的路况数据采用。