1、引言
2021年，百度Apollo自動駕駛出行服務平臺“蘿卜快跑”正式發(fā)布，無人駕駛出租車的落地試運行令人們得以一瞥未來出行的全新圖景。昔日幻想如今走入現(xiàn)實，不僅展示了自動駕駛技術(shù)的實際應用潛力，更突顯了車聯(lián)網(wǎng)(V2X)技術(shù)在現(xiàn)代交通管理中的核心作用[1]。
通過實現(xiàn)車輛、基礎設施、行人以及網(wǎng)絡之間的高效通信，車聯(lián)網(wǎng)不僅顯著提升了交通的流暢性和安全性，也為自動駕駛技術(shù)的普及奠定了堅實的基礎。在當前主流的未來交通態(tài)勢暢想中，路側(cè)單元(Roadside Unit, RSU)將會作為車聯(lián)網(wǎng)基礎設施的重要組成部分，承擔著關(guān)鍵的通信與數(shù)據(jù)交互功能[2]。
圖1 無人駕駛出租車
然而隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應用，路側(cè)單元的安全問題也不容忽視，作為連接車輛與基礎設施的橋梁在實現(xiàn)高效通信的同時，路側(cè)單元在復雜網(wǎng)絡環(huán)境下的安全隱患日益突出。因此研究和加強車聯(lián)網(wǎng)中路側(cè)單元的安全防護才顯得尤為重要。本文將從攻擊與防護兩個角度出發(fā)，概括性地解析車聯(lián)網(wǎng)路側(cè)單元面臨的安全問題，并探討現(xiàn)有的安全技術(shù)和防護策略。希望通過對這些問題的深入分析，能夠為車聯(lián)網(wǎng)的安全發(fā)展提供有力的支持和參考。
2、路側(cè)單元(RSU)概述
路側(cè)單元是車聯(lián)網(wǎng)(V2X)基礎設施中的關(guān)鍵組成部分，負責實現(xiàn)車輛與基礎設施(V2I)之間的通信，在實現(xiàn)車路協(xié)同、提高交通效率、提升駕駛安全性方面發(fā)揮著不可或缺的作用。它通常部署在交通信號燈、道路標志或橋梁等固定位置，包括多功能桿、通信管道等路側(cè)數(shù)字基礎設施，以及車路云一體化感知設備、邊緣計算單元等路側(cè)智能感知設備。通過無線通信技術(shù)與周圍的車輛、行人、其他路邊設備及網(wǎng)絡進行實時信息交換[3]。
圖2車輛與RSU之間的V2I通信
當前RSU在車聯(lián)網(wǎng)中的主要功能包括支持車輛與基礎設施之間的信息交換，以實現(xiàn)交通信號的智能調(diào)度、交通流量的動態(tài)優(yōu)化等。
在未來的車聯(lián)網(wǎng)中，RSU更重要的作用是通過與交通管理系統(tǒng)的連接，為自動駕駛車輛提供實時道路狀況、交通信號、行駛路線等關(guān)鍵信息，確保車輛能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)做出正確決策，是自動駕駛技術(shù)的推廣和應用的基礎與前提。緊急情況下，RSU還具備向附近車輛發(fā)布預警信息的能力。當?shù)缆钒l(fā)生事故或突發(fā)事件時，RSU可以快速將事故信息傳遞給即將駛?cè)朐搮^(qū)域的車輛，從而避免二次事故的發(fā)生。
3、RSU安全面臨的威脅與防范策略
作為車聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵通信節(jié)點，路側(cè)單元面臨的網(wǎng)絡安全風險關(guān)乎道路交通安全問題。RSU由于通常部署在開放環(huán)境中，物理安全性較差，易遭受物理破壞或未經(jīng)授權(quán)的訪問。確保RSU的安全性是保障車聯(lián)網(wǎng)整體安全的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。
3.1 RSU安全面臨的威脅
3.1.1 女巫攻擊(Sybil Attacks)
女巫攻擊是一種典型的網(wǎng)絡攻擊方式，攻擊者通過創(chuàng)建多個偽造身份，來偽裝成多個不同的合法節(jié)點，從而操縱網(wǎng)絡中信息的流向或內(nèi)容。女巫攻擊是車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下常見的攻擊手段，攻擊者利用合法車輛虛擬出多個虛假節(jié)點(女巫節(jié)點)，偽造車輛或其他RSU的通信信息，對車聯(lián)網(wǎng)造成破壞[4]。例如，當合法節(jié)點向其鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，女巫節(jié)點可以通過修改路由路徑，將信息匯總給惡意節(jié)點，然后可對數(shù)據(jù)進行非法修改或拋棄。此攻擊行為會對路由協(xié)議造成破壞，同時也會影響網(wǎng)絡中的資源公平分配機制。
3.1.2 節(jié)點模擬(Node Impersonation)攻擊
節(jié)點模擬攻擊是指攻擊者偽裝成合法的RSU或車輛節(jié)點，參與車聯(lián)網(wǎng)的通信，從而竊取敏感信息或發(fā)送虛假數(shù)據(jù)[5]。RSU在車聯(lián)網(wǎng)中扮演著重要的通信節(jié)點角色，若被攻擊者模擬，則可能對整個網(wǎng)絡的安全性造成嚴重威脅。例如，攻擊者可以模擬RSU發(fā)送虛假的交通信號或預警信息，導致車輛做出錯誤的決策。
3.1.3 身份披露(ID Disclosure)攻擊
身份披露攻擊是指攻擊者通過監(jiān)聽或分析RSU與車輛之間的通信，獲取并曝光參與通信的車輛或用戶的身份信息[6]。在車聯(lián)網(wǎng)中，身份信息泄露可能導致車輛的行駛路徑、駕駛行為等隱私數(shù)據(jù)被非法獲取，進而被用于跟蹤或其他惡意用途。攻擊者可能利用RSU的通信漏洞或薄弱的加密措施，獲取車輛的身份信息。
3.1.4 拒絕服務(DoS)攻擊和分布式拒絕服務(DDoS)攻擊
拒絕服務(DoS)攻擊是一種通過向RSU發(fā)送大量虛假請求或數(shù)據(jù)包，使其無法正常處理合法請求的攻擊方式。分布式拒絕服務(DDoS)攻擊是DoS攻擊的升級版，攻擊者利用多個受控的惡意節(jié)點同時向RSU發(fā)起攻擊，形成規(guī)模更大、影響更廣的攻擊態(tài)勢。DDoS攻擊可能導致整個車聯(lián)網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的RSU同時失效，嚴重影響交通信息的傳輸和車輛的安全性。例如，攻擊者通過控制多個僵尸網(wǎng)絡節(jié)點，向RSU發(fā)送大量的偽造請求，使得RSU資源耗盡，導致其無法正常工作。
3.2 RSU安全防范策略
3.2.1 基于位置的防范策略
基于位置的方法[7]利用車輛或節(jié)點在物理空間中的地理位置進行檢測。因為在現(xiàn)實世界中，一個實體不能同時出現(xiàn)在多個不同的地理位置上，所以通過監(jiān)測節(jié)點的位置，可以判斷是否存在多個虛假身份偽裝成多個不同位置的節(jié)點。這類方法通常依賴于全球定位系統(tǒng)(GPS)或其他位置感知技術(shù)，通過比對多個節(jié)點報告的位置數(shù)據(jù)，來檢測是否有多個節(jié)點的地理位置重疊或異常接近。例如，如果多個節(jié)點在同一時間內(nèi)報告非常接近或相同的位置，則有可能這些節(jié)點是由一個攻擊者偽造的[8]。
圖3 基于RSSI檢測的網(wǎng)絡拓撲圖
這種方案不僅可以判斷和發(fā)現(xiàn)女巫節(jié)點，還能夠通過計算傳播過程中的路徑損耗，借助信號衰減模型計算自身到發(fā)射節(jié)點的距離，從而追溯到惡意節(jié)點的位置。
3.2.2 基于加密和身份驗證的防御策略
基于加密的方法主要通過加密技術(shù)[10]來保障RSU與車輛之間的通信安全，防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被竊取、篡改或偽造。加密策略可以確保通信的機密性、完整性和不可否認性。常見的加密技術(shù)包括對稱加密和非對稱加密：
對稱加密：采用相同的密鑰進行加密和解密操作。對稱加密算法如AES具有速度快、效率高的優(yōu)點，非常適合大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸。
非對稱加密：采用一對密鑰——公鑰和私鑰。公鑰用于加密，私鑰用于解密。非對稱加密算法如RSA算法和ECC(橢圓曲線加密)算法可以確保在公開網(wǎng)絡上傳輸數(shù)據(jù)的安全性，尤其適合身份驗證和數(shù)字簽名。
圖4 RSU與車輛之間的加密信息傳遞
在RSU安全策略中，加密策略可以用來確保數(shù)據(jù)的機密性，防止敏感信息被竊取。以圖4為例，RSU和車輛之間的通信可以先使用非對稱加密算法進行密鑰交換，確保密鑰的安全分發(fā)，正常通信則使用對稱加密，充分發(fā)揮不同加密算法的優(yōu)勢。
基于身份驗證的方法通過驗證每個節(jié)點的身份來檢測攻擊。這種方法依賴于加密技術(shù)和認證協(xié)議，確保每個參與通信的節(jié)點都有唯一且可信的身份標識。在實際應用中，通常使用公鑰基礎設施(PKI)[11]、數(shù)字證書或其他身份驗證機制。每個節(jié)點在加入網(wǎng)絡時都需要進行身份認證，確保其身份的唯一性和合法性。通過驗證節(jié)點的數(shù)字簽名或證書，可以防止一個實體偽造多個身份參與通信。
3.2.3 基于流量分析的防御策略
基于流量分析的方法主要通過監(jiān)控和分析網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流量來檢測異常行為，從而預防和抵御針對RSU的攻擊[12][13]，尤其是分布式拒絕服務(DDoS)攻擊。這類方法通過識別異常的流量模式或不尋常的通信行為，幫助檢測并阻止?jié)撛诘陌踩{。
具體而言，流量分析能夠識別出與正常通信行為不符的異常模式，例如某節(jié)點突然發(fā)出大量的數(shù)據(jù)包或頻繁接收到超出正常范圍的請求，這通常是DDoS攻擊的前兆?；诖?，系統(tǒng)可以在檢測到異常流量的初期階段，通過設定合理的閾值和運用異常檢測算法，迅速采取防護措施，如限制可疑節(jié)點的帶寬、隔離異常流量，或觸發(fā)警報以供網(wǎng)絡管理員進一步處理。
此外還可以在網(wǎng)絡中部署蜜罐節(jié)點[14][15]。圖5是一種基于攻防博弈的車聯(lián)網(wǎng)蜜罐防御系統(tǒng)模型。蜜罐作為一種誘餌技術(shù)，旨在引誘攻擊者對其發(fā)起攻擊，并將惡意流量導向蜜罐，從而減輕對實際RSU的影響。通過對蜜罐中收集到的攻擊數(shù)據(jù)進行深入分析，能夠進一步識別攻擊者的來源、攻擊手法及其背后的意圖。不僅可以為當前的防御提供了依據(jù)，還能夠為技術(shù)人員所用，為未來的防御策略優(yōu)化提供實際數(shù)據(jù)的支持。
圖5 一種車聯(lián)網(wǎng)蜜罐防御系統(tǒng)網(wǎng)絡模型
4、結(jié)論
本文通過分析RSU所面臨的主要安全威脅，包括女巫攻擊、節(jié)點模擬、身份披露、拒絕服務攻擊等，揭示了當前車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的潛在風險。針對這些威脅，本文列舉并探討了多種防范策略，包括基于位置的防范策略、加密和身份驗證策略以及流量分析策略。這些策略各有其優(yōu)勢和應用場景，在實際場景中往往需要通過合理組合來為RSU提供多層次的安全防護。
盡管目前的防護措施能夠在一定程度上緩解RSU面臨的安全問題，但隨著攻擊手段的不斷演變，RSU安全防護仍需持續(xù)發(fā)展。未來的研究應進一步探索新型防護技術(shù)，特別是在面對日益復雜的攻擊場景時，如何實現(xiàn)更高效的檢測和響應機制。此外，隨著量子計算技術(shù)的發(fā)展[16]，傳統(tǒng)加密算法的安全性也面臨新的挑戰(zhàn)，車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的安全技術(shù)必須隨之更新，以應對潛在的新型威脅。
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作者：李依哲 中國科學院信息工程研究所
責編：郝璐萌
來源：中國保密協(xié)會科學技術(shù)分會
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