CN104683353A - 一种车联网安全信息自适应通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车联网安全信息自适应通信系统，该系统设置在每一通信终端的通信子层中，其特征在于：它包括消息发送频率自适应模块、消息压缩组装模块、消息优先权模块和消息加/解密模块，采用以各模块解决了车联网中通信服务频率无法自适应调整、消息传输冗余、缺乏优先服务机制的问题。另外，还设置有消息加/解密模块，该模块针对形成的消息进行加密，以解决通信安全的问题。因此，本发明可以广泛用于交通控制、物联网通信领域。

Description

一种车联网安全信息自适应通信系统

技术领域

本发明涉及一种自适应通信系统，特别是关于一种车联网安全信息自适应通信系统。

背景技术

物联网作为继计算机互联网与移动通信之后的世界信息产业的第三次浪潮，各国对其投入的研究与日俱增。由于当前无线组网技术、车辆技术的迅猛发展以及现实需要，物联网中最有可能率先实现的车联网成为了物联网重点支持和推广的领域。作为一种无线网络，车联网面临的一个重要问题就是通信问题，目前车联网的通信质量有较大的提升空间。

在车联网发展初期，部署的不同上层应用均有自己独立的通信实现，因此制订的上层应用协议也各不相同。重复的通信实现不仅造成了大量重复工作，而且相互隔绝的上层应用协议也不存在融合不同上层应用的消息实现带宽重用的可能。为了实现车联网中传递消息的统一，在如图1所示的车联网专用协议栈的安全消息通信子层上，美国汽车工程师协会制定了SAE J2735标准，详细描述了目前车联网中安全上层应用可能传递的各种信息的字段格式，在最近的2009版本中规定了15个消息集合组成的DSRC(Dedicated Short RangeCommunications，专用短程通信技术)消息集字典。不同上层应用(上层应用是指在以SAE J2735为标准的车联网环境下辅助交通系统的程序)在通信的过程中，以消息集合为单位组织消息进行传输。目前在以SAE J2735标准为协议的通信领域存在的主要不足有：

1、缺乏统一的消息管理、调度机制，实时性受到严重影响

尽管目前车联网通信服务已经基本满足了对已部署和即将部署的上层应用的消息格式兼容性，但是由于SAE J2735各类消息集的字段组成是固定的，不同上层应用在使用该协议时选取一种或者几种消息集进行通信，不能自由组合，传递的消息集可能会包含大量冗余字段，因此会大大降低实时性。另外，目前的车联网通信多是周期性(10ms—100ms)发送消息，对于不同上层应用消息发送频率并没有自适应调整机制，有可能会造成大量相似冗余消息的发送。

2、对服务质量(QoS，Quality of Service)支持不足

由于目前车联网处于起步阶段，车联网上层应用部署较少，并未出现不同上层应用之间干扰、通信内容遭窃取、服务冲突与共享等问题，因此目前通信子层并没有考虑通信安全以及优先服务等服务质量问题。

随着车联网的快速发展，大量上层应用进行部署，以上问题将可能造成车联网上层应用异常工作甚至导致整个车联网崩溃。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种解决了车联网中通信服务频率无法自适应调整、消息传输冗余、缺乏优先服务机制的问题的车联网安全信息自适应通信系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种车联网安全信息自适应通信系统，该系统设置在每一通信终端的通信子层中，其特征在于：它包括消息发送频率自适应模块、消息压缩组装模块、消息优先权模块和消息加/解密模块；1)消息的发送阶段：所述消息发送频率自适应模块根据接收的消息中存放的是否发送结果，判断消息是否发送，若发送则传送给所述消息压缩组装模块，否则，不处理；所述消息压缩组装模块对消息中的各字段进行赋值，然后传送给所述消息优先权模块；所述消息优先权模块根据上层应用的优先级规则进行统一，并按照统一后的优先级别计算该消息的优先权值，然后传送给所述消息加/解密模块；所述消息加/解密模块将消息进行加密，并按照该消息的优先权值将该消息添加到消息发送队列；2)消息的接收阶段：所述消息加/解密模块接收消息并对其进行解密，然后传送给所述消息优先权模块；所述消息优先权模块根据该消息的优先权值进行排序，然后发送给所述消息压缩组装模块；所述消息压缩组装模块将消息中的字段进行赋值，并以键值对的形式发送给上层应用，完成消息的接收。

消息的格式如下：

其中，该消息包括send、select、priority和消息体；send用于存放消息发送与否的结果；select用于存放上层应用从消息集字典中选取所需的字段；priority用于存放上层应用本身的优先级规则和消息所对应的优先级别；消息体用于存放上层应用根据自身需要从消息集字典中选取所需消息类型，及该类型定义的所有字段对应的值。

上层应用在发送消息前的内容如下：首先，将是否发送消息的结果存放在send中，其中消息否发送结果分为发送true和不发送false；其次，从消息集字典中选取所需消息类型，并将该类型定义的所有字段对应的值存放在消息体中；最后，将上层应用的优先级规则和消息的优先权值放入到priority中。

所述消息发送频率自适应模块根据接收来自上层应用发送的消息，并针对消息的send进行识别，若所接收消息的send中存放的是true，则将该消息发送给所述消息压缩组装模块；若为false，则不对其进行处理。

所述消息压缩组装模块包括识别单元和消息字典开发库；在消息发送阶段：所述识别单元从消息体中读取各字段及其对应值，并依次将各字段存入select列表中，并按照字段列表中的字段从顺序依次调取所述消息字典开发库中对应的函数，对应的函数将每一字段对应的值存放在消息体内，完成字段列表中每一字段的赋值；在消息接收阶段：所述识别单元从消息中的select中的字段列表中依次读取字段，并按照字段列表的顺序依次调用所述消息字典开发库中对应的函数，将消息体中对应的赋值提取出来，以键值对的形式发送给上层应用，完成消息的接收。

所述消息优先权模块在信息发送阶段：将消息的priority中上层应用的优先级规则进行统一，并按照统一后的优先级别计算该消息的优先权值，然后传送给所述消息加/解密模块；在信息接收阶段：将该消息中priority的优先权值由高到低进行排序，然后发送给消息压缩组装模块。

所述消息加/解密模块包括加/解密单元和发送/接收单元；在消息发送阶段：所述加/解密单元针对该消息进行加密，加密完成后完成消息的构建，然后将其发送给所述发送/接收单元；所述发送/接收单元根据send和priority中的内容，按照优先权值从高到低的插入消息发送队列，实现消息的发送；在消息接收阶段：所述发送/接收单元接收消息，并将其发送给所述加/解密单元进行解密，并将解密后的信息发送给所述消息优先权模块。

发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设计了消息发送频率自适应模块，根据所接收的消息中标注的发送与否的结果true和false。若为true，则进行消息的发送；若为false，则该消息为冗余消息，此次不需要发送，不对其进行处理，降低了冗余消息的发送频率，提高消息发送的实时性。采用此种设置不但降低不必要的发送次数，而且降低了每个通信终端单位时间内接收到的消息数量，达到了频率自适应，提高了通信性能。本发明还设置有消息压缩组装模块，该模块允许不同上层应用根据自身需求对SAEJ2735消息集中定义的字段进行自由组装拼接，对不同上层应用发出的不同消息的select进行识别、解析，保证了消息类型构建与解析的动态性与灵活性，上述两个模块共同作用能够减小了消息队列总长度和平均逗留时间，从而提高通信子层的实时性。2、本发明设置有消息优先权模块，由于采用该模块将消息的priority中上层应用的优先级规则转换成本发明定义的优先级，并结合上层应用为消息所设定的优先级别进行计算，计算出消息在本发明定义的优先权值，根据该优先权值的大小进行消息的发送，形成针对优先权值大的消息进行优先服务。本发明还设置有消息加/解密模块，该模块针对形成的消息进行加密，以解决通信安全的问题。因此，本发明可以广泛用于交通控制、物联网通信领域。

附图说明

图1是DSRC协议栈

图2是本发明的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2所示，本发明设置在每一通信终端的通信子层中，其包括消息发送频率自适应模块1、消息压缩组装模块2、消息优先权模块3和消息加/解密模块4。

消息发送频率自适应模块1用于接收来自上层应用发送的消息，根据消息中存储的是否发送结果判断该消息是否发送，如果发送则将其发送给消息压缩组装模块2，否则不发送。

消息压缩组装模块2包括识别单元21和消息字典开发库22。识别单元21用于识别消息体中字段及其对应值，并依次将消息中的各自段存放入select的字段列表中。消息字典开发库22用于完成select的字段列表中字段的赋值。上述消息字典开发库22采用SAE J2735为标准编码而形成的，由于标准唯一，因此所形成的消息字典开发库22也是唯一的，该库中针对消息集字典的十五个消息类型中每一个字段均设置有相应的函数，该函数为车联网中需求的相关数据赋值，例如车速、车辆经纬度等车联网领域常用的信息。

消息优先权模块3用于将上层应用的优先规则进行统一，然后按照统一后的优先规则将该消息的优先级别进行计算，得到该消息对应的优先权值。

消息加/解密模块4包括加/解密单元41和发送/接收单元42。加/解密单元41用于对消息进行加/解密。发送/接收单元42用于根据消息的优先权值插入到消息发送队列和接收消息。

上述通信终端为车联网中的参与者，具体为车载单元(OBU)和路测单元(RSU)。

上述本发明采用的消息格式如下：

其中，本发明的消息为在常规的消息体前端加上消息扩展字段，该字段包括send、select和priority。

send用于存放消息发送与否的结果：上层应用针对消息的发送结果分为true(保持发送阶段)和fales(终止发送阶段)，并将每一消息对应的发送结果发送到消息扩展字段的send中。true表示周期性的发送消息，fales表示触发性的发送消息。

send可以采用以布尔变量存储，但不限于此种形式：

private Boolean send＝true/false；//send定义为私有类型以避免被恶意修改，通过接口函数setSendInfo进行赋值修改

如果上层应用没有添加发送自适应策略，则默认为发送。

对上层应用提供赋值接口：

public void setSendInfo(boolean send)//send标志量赋值的公有接口，供上层应用使用，参数类型为boolean

select用于存放字段列表：上层应用根据自身的需求(该需求例如：车联网中的一种上层应用使用到了车速、车辆位置信息，另一种上层应用使用到了车辆大小、车辆位置信息，则前者的需求为速度、位置字段，后者的需求为车辆大小、位置信息)从消息集字典中选取所需消息类型，即从消息集字典中定义的十五类消息类型之一，由消息压缩组装模块2中的识别单元21从该类型定义的所有字段存放在select字段列表中。

select的数据结构可以使用序列表中的集合，但不限于此种形式：

private set<int>select；//select定义为私有集合类型，记录定制字段列表

为select赋值的伪代码示意如下：

上层应用Hpp_N利用通信子层提供的库函数setField_A初始化Field_A字段

Begin：

//App_N initialized Field_A in SAE J2735Dictorary；

setField_A(A，select)；//上层应用通过此函数将字段A添加入select存储的字段列表，并将字段A的值赋给消息体的数据部分

End

通信子层中库函数setField_A为字段Field_A赋值并为select添加Field_A的编码：

Begin:

Assign value to A；//将字段A的值赋给消息体的数据部分

Search code of Field_A in SAE J2735；//查找字段A的编码

select.add(code of Field_A)；//将查找到的字段A的编码添加入select存储的字段列表内

End

priority用于存放上层应用本身的优先级规则和消息所对应的优先级别：车联网中的上层应用对周围环境加以感知，根据自身目的，上层应用针对每个消息进行优先权设置。由于本发明所连接的上层应用的不同，因此优先级的设置方式、规则级别也不同，从而需要将上层应用本身的优先级规则和每个消息对应的优先级别放入到priority中。

priority可以采用如下设置，但不限于此种形式：

考虑到不同上层应用对于优先级级别个数设置的差异，不同上层应用中同一个数字代表的优先级并不相同(例如对于设置3个优先级的上层应用，3为最高等级；对于设置了5个优先级的上层应用，3显然不代表最高等级)，因此需要统一优先级级别个数。本发明的消息优先权模块3定义了5个优先级：

public static final int MAX_LEVEL＝5；//最高优先级，定义为常量

public static final int HIGH_LEVEL＝4；//次高优先级

public static final int NORMAL_LEVEL＝3；//中等优先级

public static final int LOW_LEVEL＝2；//低优先级

public static final int MIN_LEVEL＝1；//最低优先级

通信子层提供赋值接口：

public void setPriority(int value，int num)//该函数用于统一优先级，上层应用需要传递为本条消息设置的优先级数值以及自身定义的总优先级数

{int tem_value＝5*value/num+1；//将上层应用定义的优先级转换为1到5的数字，便于统一优先级

switch(tem_value)//优先级重赋值

{case 1:priority＝MIN_LEVEL；break；//将换算为1的赋值为最低优先级

case 2:priority＝LOW_LEVEL；break；//将换算为2的赋值为低优先级

case 3:priority＝NORMAL_LEVEL；break；//将换算为3的赋值为中等优先级

case 4:priority＝HIGH_LEVEL；break；//将换算为4的赋值为次高优先级

case 5:priority＝MAX_LEVEL；break；//将换算为5的赋值为最高优先级

default:priority＝MAX_LEVEL；//对于上层应用定义的最高优先级，换算后值为6，赋值为最高优先级}}

该接口完成了从各上层应用自己定义的优先级向消息优先权模块3的5个优先级之间的转换。

上述实施例中，由于复杂的加密算法能够提高车联网中通信的安全性，但会消耗较多编解码时间。为不影响通信子层实时性的要求，消息加/解密模块4可以采用正向移位加密，从而有效防止信息泄露以及恶意通信干扰。

上层应用在发送消息时：

首先，将是否发送消息的结果存放在send中；

其次，从消息集字典中选取所需消息类型，即从消息集字典中定义的十五类消息类型之一，并将该类型定义的所有字段对应的值存放在消息体中；

最后，将上层应用的优先级规则和消息的优先权值放入到priority中。

根据车联网中的通信终端在通信过程中消息的传输方向，本发明的工作过程可以分为消息的发送阶段和消息的接收阶段：

1)消息的发送阶段

a、运用排队论将各个终端的消息队列形成排队系统M1/M2/1/∞，其中M1代表所有消息到达规律符合泊松分布，M2代表对每条消息的服务时间符合负指数分布，1表示将该消息队列看成是单服务台排队系统，∞表示消息队列允许后到达的任何消息等待服务，而不是丢弃。

消息队列在稳态时

L＝λ/(μ-λ)  (1)

T＝L/λ＝1/(μ-λ)  (2)

其中，L为所有消息队列总长度的均值，T为平均逗留时间，μ为平均服务速率，λ为每一消息平均到达速率。

消息发送频率自适应模块1接收来自上层应用发送的消息，并针对消息的send进行识别，若所接收消息的send中存放的是true，表明该消息需要正常发送，通过此种设置降低不必要的发送次数，降低了每个通信终端单位时间内接收到的消息数量，该情况不影响参数λ，将该消息发送给消息压缩组装模块2；若为false，则该消息为冗余消息，此次不需要发送，不对其进行处理，降低了冗余消息的发送频率，降低了λ，从而减小了各终端处消息队列的平均等待时间和队列长度，达到了频率自适应，提高了通信性能；

b、消息压缩组装模块2中的识别单元21从消息体中读取各字段及其对应值，并依次将各字段存入select列表中，并按照字段列表中的字段从顺序依次调取消息字典开发库22中对应的函数，对应的函数将每一字段对应的值存放在消息体内，完成字段列表中每一字段的赋值。由于识别单元21从含有冗余消息的消息体内只是提取字段及其对应值，因此剔除了消息中的冗余字段，即不含有任何冗余字段，因此压缩了消息的大小，从而降低了每条消息在各终端处的处理时间，即提高了平均服务速率μ，减小了各终端处消息队列的平均等待时间和队列长度，提高了通信性能，然后将该消息发送给消息优先权模块3；

c、消息优先权模块3将消息的priority中上层应用的优先级规则转换成本发明定义的优先级，并结合上层应用为消息所设定的优先级别进行计算，计算出消息在本发明定义的优先权值，完成后发送给消息加/解密模块4；

d、消息加/解密模块4中的加/解密单元41针对该消息进行加密，加密完成后完成消息的构建，然后将其发送给发送/接收单元42。发送/接收单元42根据send和priority中的内容，按照优先权值从高到低的插入消息发送队列，实现消息的发送。

2)消息的接收阶段

a、消息加/解密模块4中的发送/接收单元42接收消息，并将其发送给加/解密单元41进行解密，并将解密后的信息发送给消息优先权模块3；

b、消息优先权模块3根据所接收该消息中priority的优先权值由高到低进行排序，然后发送给消息压缩组装模块2；

c、消息压缩组装模块2中的识别单元21从消息中的select中的字段列表中依次读取字段，并按照字段列表的顺序依次调用消息字典开发库22中对应的函数，将消息体中对应的赋值提取出来，以键值对的形式发送给上层应用，完成消息的接收。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种车联网安全信息自适应通信系统，该系统设置在每一通信终端的通信子层中，其特征在于：它包括消息发送频率自适应模块、消息压缩组装模块、消息优先权模块和消息加/解密模块；

1)消息的发送阶段：

所述消息发送频率自适应模块根据接收的消息中存放的是否发送结果，判断消息是否发送，若发送则传送给所述消息压缩组装模块，否则，不处理；

所述消息压缩组装模块对消息中的各字段进行赋值，然后传送给所述消息优先权模块；

所述消息优先权模块根据上层应用的优先级规则进行统一，并按照统一后的优先级别计算该消息的优先权值，然后传送给所述消息加/解密模块；

所述消息加/解密模块将消息进行加密，并按照该消息的优先权值将该消息添加到消息发送队列；

2)消息的接收阶段：

所述消息加/解密模块接收消息并对其进行解密，然后传送给所述消息优先权模块；

所述消息优先权模块根据该消息的优先权值进行排序，然后发送给所述消息压缩组装模块；

所述消息压缩组装模块将消息中的字段进行赋值，并以键值对的形式发送给上层应用，完成消息的接收。

2.如权利要求1所述的一种车联网安全信息自适应通信系统，其特征在于：消息的格式如下：

其中，该消息包括send、select、priority和消息体；

send用于存放消息发送与否的结果；

select用于存放上层应用从消息集字典中选取所需的字段；

priority用于存放上层应用本身的优先级规则和消息所对应的优先级别；

消息体用于存放上层应用根据自身需要从消息集字典中选取所需消息类型，及该类型定义的所有字段对应的值。

3.如权利要求2所述的一种车联网安全信息自适应通信系统，其特征在于：上层应用在发送消息前的内容如下：

首先，将是否发送消息的结果存放在send中，其中消息否发送结果分为发送true和不发送false；

其次，从消息集字典中选取所需消息类型，并将该类型定义的所有字段对应的值存放在消息体中；

最后，将上层应用的优先级规则和消息的优先权值放入到priority中。

4.如权利要求3所述的一种车联网安全信息自适应通信系统，其特征在于：所述消息发送频率自适应模块根据接收来自上层应用发送的消息，并针对消息的send进行识别，若所接收消息的send中存放的是true，则将该消息发送给所述消息压缩组装模块；若为false，则不对其进行处理。

5.如权利要求3所述的一种车联网安全信息自适应通信系统，其特征在于：所述消息压缩组装模块包括识别单元和消息字典开发库；

在消息发送阶段：所述识别单元从消息体中读取各字段及其对应值，并依次将各字段存入select列表中，并按照字段列表中的字段从顺序依次调取所述消息字典开发库中对应的函数，对应的函数将每一字段对应的值存放在消息体内，完成字段列表中每一字段的赋值；

在消息接收阶段：

所述识别单元从消息中的select中的字段列表中依次读取字段，并按照字段列表的顺序依次调用所述消息字典开发库中对应的函数，将消息体中对应的赋值提取出来，以键值对的形式发送给上层应用，完成消息的接收。

6.如权利要求3或4或5所述的一种车联网安全信息自适应通信系统，其特征在于：所述消息优先权模块在信息发送阶段：将消息的priority中上层应用的优先级规则进行统一，并按照统一后的优先级别计算该消息的优先权值，然后传送给所述消息加/解密模块；

在信息接收阶段：将该消息中priority的优先权值由高到低进行排序，然后发送给消息压缩组装模块。

7.如权利要求6所述的一种车联网安全信息自适应通信系统，其特征在于：所述消息加/解密模块包括加/解密单元和发送/接收单元；

在消息发送阶段：所述加/解密单元针对该消息进行加密，加密完成后完成消息的构建，然后将其发送给所述发送/接收单元；所述发送/接收单元根据send和priority中的内容，按照优先权值从高到低的插入消息发送队列，实现消息的发送；

在消息接收阶段：所述发送/接收单元接收消息，并将其发送给所述加/解密单元进行解密，并将解密后的信息发送给所述消息优先权模块。