淺析5G車聯(lián)網(wǎng)信息安全問題

張強　鄒密　江美霞　代孟岑

摘 要：車聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)智能交通的必經(jīng)之路，也是5G最重要的應(yīng)用場景之一。針對車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模龐大、通信環(huán)境開放，車輛或通過路測設(shè)備惡意發(fā)送虛假數(shù)據(jù)或篡改接收到的數(shù)據(jù)來干擾車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓、車輛數(shù)據(jù)以及個人信息泄露等各種安全問題，基于5G車聯(lián)網(wǎng)在智能交通信息安全交互的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了5G智能車聯(lián)網(wǎng)信息安全問題，研究了車聯(lián)網(wǎng)安全機制，給出了解決車聯(lián)網(wǎng)信息安全問題的方案，以此促進5G智能交通更好的發(fā)展與應(yīng)用落地。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng) 智能交通 5G 信息安全

1 引言

移動通信技術(shù)的不斷進步，推動了5G+車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧交通上的廣泛應(yīng)用。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的智能化以及網(wǎng)聯(lián)化程度的不斷提高，汽車由傳統(tǒng)出行工具逐步發(fā)展成了車輪上的智慧終端。然而，由于車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開放性，使得車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)面臨著許多信息安全問題。多起著名智能汽車品牌發(fā)生的車聯(lián)網(wǎng)安全事故，進一步加深了民眾對智能網(wǎng)聯(lián)汽車保護個人安全能力的擔(dān)憂[1]。此外，車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)面臨的風(fēng)險形勢復(fù)雜多樣，按照技術(shù)架構(gòu)劃分，車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全涉及感知層安全、通信層安全、平臺層安全、應(yīng)用層安全等；按照數(shù)據(jù)屬性劃分，車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全涉及個人數(shù)據(jù)安全、企業(yè)數(shù)據(jù)安全、國家數(shù)據(jù)安全等[2]。信息安全隱患，輕則給企業(yè)產(chǎn)品發(fā)布及產(chǎn)品口碑造成影響，重則導(dǎo)致大范圍的汽車召回，給車企造成巨大損失。其次，對車聯(lián)網(wǎng)近年來發(fā)生的典型安全事例進行分析，總結(jié)出當(dāng)前智能網(wǎng)聯(lián)汽車所面臨的主要安全問題：互聯(lián)車輛的數(shù)量不斷增長，增加了黑客漏洞利用的入口點，導(dǎo)致攻擊方式不斷變化，防不勝防，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中缺少完善的異常檢測防御機制；數(shù)字鑰匙比傳統(tǒng)鑰匙面臨更多信息安全問題；自動駕駛算法的不確定性帶來的安全問題和V2X系統(tǒng)成為新的熱門攻擊面。因此，如何解決5G+車聯(lián)網(wǎng)信息安全問題，保障車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)正常、穩(wěn)健、安全的的發(fā)展，成為智慧交通發(fā)展過程中的重要議題。

2 5G+車聯(lián)網(wǎng)基本概念

隨著智慧交通在我國穩(wěn)步有序的發(fā)展，“智能網(wǎng)聯(lián)汽車”越來越被大眾所熟知。5G技術(shù)的發(fā)展更是推動了智慧交通項目發(fā)展的步伐。因此，5G+車聯(lián)網(wǎng)是推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵。

2.1 5G介紹

5G作為新一代移動通信技術(shù)，與4G相比5G的優(yōu)勢在于，它具有超高速率（5G速率最高可以達到4G的100倍）、超高頻寬、并且支持更大數(shù)量的連接和更加高速的移動速度的特點，并且滿足車聯(lián)網(wǎng)，智能交通，高清視頻，虛擬現(xiàn)實等應(yīng)用場景所需要的高可靠，低時延、低功率海量連接的特性[3]。能夠助力汽車業(yè)向網(wǎng)聯(lián)化、智能化等方向轉(zhuǎn)型升級。

2.2 車聯(lián)網(wǎng)介紹

車聯(lián)網(wǎng)由車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)三個主要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，這三者基于一個統(tǒng)一的協(xié)議進行通信，同時車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還融合了各類傳感器、射頻識別（RFID）、數(shù)據(jù)挖掘、自動控制等相關(guān)技術(shù)[4]，在車與車（V2V）、車與行人（V2P）、車與路（V2R）、車與基礎(chǔ)設(shè)備（V2I）、車與網(wǎng)絡(luò)（V2I）等交互過程中，實現(xiàn)了人、車、路、云之間各種數(shù)據(jù)的傳輸與處理。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計算機技術(shù)，中央處理器將會對車輛終端傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù)（車輛的行駛位置、行駛速度和路線軌跡等信息）進行分析處理，運用相關(guān)算法為車輛規(guī)劃出最佳的出行行使路線、監(jiān)測實時路況并及時向終端車輛匯報。車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展不僅可以幫助相關(guān)部門更加科學(xué)的安排信號燈周期，使得人們出行更加快捷和高效，還可以減少交通事故的發(fā)生概率，達到提高道路安全的目的，使得人們生活更加方便和安全。

3 5G車聯(lián)網(wǎng)安全關(guān)鍵技術(shù)

5G技術(shù)的快速應(yīng)用為智慧交通的發(fā)展創(chuàng)造了歷史性的機遇，5G技術(shù)的關(guān)鍵特征是覆蓋范圍廣、功耗低、低時延高可靠等。因此，將5G技術(shù)應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)，就可以很好的解決當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)存在的一些問題，促進車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，使車輛節(jié)點在高速移動的狀態(tài)下可以獲得更穩(wěn)定，更可靠的性能。結(jié)合了5G技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)主要優(yōu)勢體現(xiàn)在低時延、高可靠、超寬頻譜和能源高效利用以及通信質(zhì)量優(yōu)異等方面[5]。根據(jù)研究，現(xiàn)階段將5G 車聯(lián)網(wǎng)安全關(guān)鍵技術(shù)主要可以總結(jié)為以下幾個方面：

3.1 在安全通信方面

車聯(lián)網(wǎng)對實時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的要求非常高，數(shù)據(jù)傳遞的過程中必須保證保密性、安全性和高效的傳輸率。5G中運用到的大規(guī)模天線陣列和高/超高密集度組網(wǎng)技術(shù)可以提升5G系統(tǒng)容量和速率需求，使5G的時延達到毫秒級。因此，可以提升車聯(lián)網(wǎng)的接入速率以及接入能力，同時滿足車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)千量級設(shè)備的接入需求。達到了車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的低延時和高可靠性能需求，為車輛與車輛以外實體之間通信的可靠傳輸提供了物理保障。結(jié)合5G通信技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)，由于5G通信對安全有著更高要求的特點，不同的車輛終端節(jié)點或者用戶終端設(shè)備在與接入點進行通信的時候需要進行頻繁的認(rèn)證，而設(shè)計安全的認(rèn)證方案可以防止假冒、中間人攻擊等，從而使得通信更加的安全。

3.2 在硬件安全方面

車聯(lián)網(wǎng)的硬件架構(gòu)必須要確保電子控制單元（ECU）達到最高的安全需求，ECU配備包含專用硬件安全模塊（HSM）和CPU的芯片，同時將所有的編碼和解碼功能在硬件上進行，可以在一定程度上避免安裝未經(jīng)授權(quán)的軟件、防止發(fā)生異常的訪問和篡改、惡意軟件的上傳以及特洛伊木馬等。因此對于車聯(lián)網(wǎng)的硬件，需要對車聯(lián)網(wǎng)各種物理設(shè)備進行詳細(xì)謹(jǐn)慎的檢查，以此來實現(xiàn)5G車聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備方面的安全。

3.3 在隱私安全方面

車聯(lián)網(wǎng)中的安全問題不只會造成個人隱私、個人或企業(yè)的經(jīng)濟損失等問題，如果遭到不良分子的控制，還可能出現(xiàn)車毀人亡的嚴(yán)重事故。根據(jù)統(tǒng)計信息表示，在購買汽車時，有一半以上的消費者表示信息安全和隱私防護是他們在購買車輛時主要考慮的因素。由此可知，車聯(lián)網(wǎng)的隱私安全問題將會成為5G 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域中研究的重點?，F(xiàn)階段，有關(guān)車聯(lián)網(wǎng)隱私安全的研究主要集中在各種不同的匿名方案。

4 5G車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及安全定義

4.1 車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

5G車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)得到了業(yè)界的高度關(guān)注，近年來，交通形式越發(fā)嚴(yán)峻，汽車數(shù)量的迅速增長導(dǎo)致了道路擁堵時長增加、各種交通事故頻繁發(fā)生，在此背景下，全球都在積極推動車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。目前，美國、歐洲、日本等國家、地區(qū)均發(fā)布了支持車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的相關(guān)政策、規(guī)劃[6]。

我國為了促進車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，也相繼印發(fā)了許多推動車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的政策，例如：《關(guān)于積極推進"互聯(lián)網(wǎng)+"行動的指導(dǎo)意見》、《車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》、《智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試管理規(guī)范》、《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》等相關(guān)系列文件?！稘u入佳境，一觸即發(fā)，2021中國車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展趨勢研究》報告中指出：現(xiàn)階段，我國正在不斷的推進車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，許多企業(yè)圍繞著LTE-V2X通信技術(shù)形成了包括通信芯片、通信模組、終端設(shè)備、整車制造、運營服務(wù)、測試認(rèn)證、高精度定位及地圖服務(wù)等為主的較完整產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)。而在自動駕駛的研究上，結(jié)合了5G技術(shù)，我國在某些地區(qū)也建設(shè)了較為完善的實時場景和智能聯(lián)網(wǎng)設(shè)備系統(tǒng)。這些測試的區(qū)域也基本覆蓋了城市道路、鄉(xiāng)村道路等場景。

4.2 車聯(lián)網(wǎng)的信息安全定義

車聯(lián)網(wǎng)的信息安全主要體現(xiàn)在云平臺安全、終端安全、網(wǎng)絡(luò)安全以及信息數(shù)據(jù)安全四個方面[7]。云平臺屬于車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的核心位置，對車輛的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、計算和管理。云平臺安全指的是保證處理數(shù)據(jù)的云平臺能夠正常運行并與車輛之間正常交互的安全；終端包括了手機、車載工具、路測設(shè)備等，終端安全是指終端設(shè)備在進行交互時是安全且順利的；網(wǎng)絡(luò)安全則是指不同車輛之間、車與用戶之間、車與路面之間、車與平臺之間能夠正常的進行通信；信息數(shù)據(jù)安全是指車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在運行過程中保證傳輸?shù)碾[私數(shù)據(jù)不被截獲、篡改、刪除等。

5 5G車聯(lián)網(wǎng)中存在的安全問題

5.1 沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)

互聯(lián)網(wǎng)取得的巨大成功很大程度上是得益于它開放的標(biāo)準(zhǔn)和開放的體系結(jié)構(gòu)[8]。智慧交通的發(fā)展趨勢最終必會接入互聯(lián)網(wǎng)。然而目前還在發(fā)展階段的5G車聯(lián)網(wǎng)并沒有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的通信協(xié)議和完善的通信體系。架構(gòu)也還不統(tǒng)一、其中相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)也沒有完全形成[9]。這導(dǎo)致基于5G車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的解決方案多元化、協(xié)議之間相互轉(zhuǎn)換困難等問題，因此該項技術(shù)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上無法進行完美融合，從而對5G車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有所限制。因此，要促進5G車聯(lián)網(wǎng)的健康長期發(fā)展，就必須設(shè)計出合理的、適用的車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和體系結(jié)構(gòu)，以此來規(guī)范車聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)。

5.2 無線通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定

5G車聯(lián)網(wǎng)屬于無線通信的一部分，但無線通信網(wǎng)絡(luò)本身就存在不穩(wěn)定的問題，并且5G基站的覆蓋范圍，會對車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)造成一定限制。因此，當(dāng)車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)受到到故意或無意的干擾源影響時，節(jié)點接收范圍內(nèi)的通信將會無法建立，這時，惡意的攻擊者就能夠阻斷服務(wù)端與用戶或者基站之間的通信。另外，大量的終端頻繁的接入網(wǎng)絡(luò)容易造成堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致無線通信網(wǎng)絡(luò)不能及時處理收集到的數(shù)據(jù)信息；并且車聯(lián)網(wǎng)終端的交通情況復(fù)雜多變，車輛節(jié)點在高速行駛的過程中會與不同的信息數(shù)據(jù)采集節(jié)點之間快速的進行無規(guī)律切換，因此會增加節(jié)點之間身份認(rèn)證過程的難度，從而使得車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的車輛容易受到黑客的惡意攻擊，造成交通事故。

5.3 隱私數(shù)據(jù)泄露

車聯(lián)網(wǎng)從用戶、電子控制單元、各類傳感器、IVI、第三方APP以及車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的服務(wù)平臺等采集各類數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括了終端用戶的身份信息、車輛的運行狀態(tài)以及行駛軌跡、用戶的駕駛習(xí)慣、地理位置信息等敏感信息[10]。由于在收集、傳輸、存儲的過程中對這些數(shù)據(jù)沒有一個統(tǒng)一的安全要求，因此隱私數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中容易因為訪問控制不嚴(yán)格、數(shù)據(jù)存儲傳輸不當(dāng)?shù)仍虮环欠ㄓ脩粜崽交蛘咴馐苤虚g人攻擊，從而隱私數(shù)據(jù)遭到泄露被非法使用或越權(quán)訪問等。同時，在隱私防護方向上，提供車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的商家對使用用戶的隱私信息過度采集和越界使用也是造成隱私數(shù)據(jù)泄露的主要問題之一，其中用戶個人隱私信息遭到泄露，將會對用戶的財產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的影響，比如車主身份信息（姓名、身份證、電話等）、車輛靜態(tài)信息（車牌號、車輛識別碼等）、車輛動態(tài)信息（位置信息、行駛軌跡等），以及用戶的駕駛習(xí)慣等。而車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中還包含了道路、地理等信息，這些信息如果遭到泄露，可能將會對國家安全產(chǎn)生隱患。

6 5G車聯(lián)網(wǎng)安全問題的解決方案

6.1 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)，促進5G車聯(lián)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合

我們可以知道要促進5G車聯(lián)網(wǎng)的健康長期發(fā)展，就必須設(shè)計出合理的適用于5G車聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)和體系結(jié)構(gòu)，建設(shè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和結(jié)構(gòu)模式，解決5G車聯(lián)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的問題。在建立標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)該結(jié)合國家的科技發(fā)展水平和經(jīng)濟發(fā)展水平，比較每個地區(qū)以及不同行業(yè)的發(fā)展情況，提出適合我們自己國家的車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。同時，還應(yīng)該對車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的從業(yè)人員進行培訓(xùn)工作，建立職業(yè)道德，確保工作人員的每一步工作開展都是嚴(yán)格按照制度來進行，從而保障5G車聯(lián)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全融合。

6.2 發(fā)展基于5G技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)

隨著大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、終端直通、認(rèn)知無線電、毫米波等先進技術(shù)的不斷發(fā)展以及傳統(tǒng)行業(yè)中以數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、邊緣計算等為核心的數(shù)字技術(shù)的滲透率不斷提升，為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來歷史性的機遇。目前第一版5G-V2X標(biāo)準(zhǔn)3GPPR16于2020年7月凍結(jié)，標(biāo)準(zhǔn)中提出5G技術(shù)能提供更靈活、更可靠、更快速、更高速率傳輸?shù)耐ㄐ欧?wù)，實現(xiàn)V2X最低3ms端到端時延，最高99.999%可靠性與最高1000Mbps傳輸速率。而高速準(zhǔn)確的信息傳播，是實現(xiàn)5G車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵前提。車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展應(yīng)用對于海量數(shù)據(jù)的傳輸與超低時延通信有著極大的需求，而5G技術(shù)的特點正好可以針對車聯(lián)網(wǎng)的需求進行應(yīng)用。

6.3 研究車聯(lián)網(wǎng)通信安全策略，提出更加安全的隱私保護機制

車聯(lián)網(wǎng)的廠商對用戶隱私數(shù)據(jù)進行分級保護可以提高車聯(lián)網(wǎng)的安全性，對用戶的隱私信息、駕駛習(xí)慣、車輛信息、位置信息等敏感數(shù)據(jù)采用更安全有效的方式管理，比如對這些數(shù)據(jù)進行廠商簽名，非簽名認(rèn)證用戶或廠商將無法獲取敏感數(shù)據(jù)。而非敏感信息可以在獲取權(quán)限后查看。而目前的車聯(lián)網(wǎng)通信安全防護主要針對“車-云”通信，以加強訪問控制并開展異常流量監(jiān)測為主。

車輛與其他實體進行通信的過程中，安全認(rèn)證也是保證通信安全的關(guān)鍵機制?，F(xiàn)階段車聯(lián)網(wǎng)隱私防護機制研究主要集中在基于PKI的身份認(rèn)證、基于假名的身份認(rèn)證、基于群簽名的身份認(rèn)證三種類型。在這三種類型的基礎(chǔ)上研究更加安全的保護機制可以有效地降低車聯(lián)網(wǎng)被攻擊的概率。

7 結(jié)論

我國目前的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也正處于探索階段，通信技術(shù)體系也不夠健全。隨著5G技術(shù)的大力發(fā)展，未來車聯(lián)網(wǎng)和5G的進一步融合，能夠開發(fā)、落地更多的面向個人、政府、行業(yè)的應(yīng)用，取得較為顯著的成效。然而，在發(fā)展過程中，安全問題無論是對車輛還是用戶來講都極為重要，所以，在日后的技術(shù)研究方面，不僅要對軟件系統(tǒng)進行創(chuàng)新開發(fā)、優(yōu)化技術(shù)硬件服務(wù)意外，還要注重5G車聯(lián)網(wǎng)的信息安全方面策略的研究，以此促進形成城市深度智慧化局面，助力5G車聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展。

基金項目：四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目：面向車路協(xié)同的多模智能終端原型設(shè)計與驗證（項目編號：2021-KJ-06）研究成果。

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