第二节　车联网的应用场景及标识需求

车联网的本质是一个大规模的分布式无线通信系统，支持车辆在持续移动的过程中与周边环境的交互，传递位置、速度、方向、事故及路况等信息，为交通管理、应急救援和智能驾驶等应用需求提供支撑。车联网主要致力于提供信息服务、提升交通效率、确保个人及公共安全，同时实现必要的监管。

一、研究现状和发展趋势

车联网主要经历了以下几个发展阶段。

（1）最早的车联网起源于20世纪60年代通用汽车公司的DAIR（Driver Aid，Information and Routing）系统，其通过车辆与服务中心之间的无线通信，传递前方路况、转向提示和事故报告等信息，为驾驶员提供便利。DAIR的出现直接推动了美国公路指示系统的建立，但由于车载设备等成本过高，一直未能实现大规模应用。

（2）1996年，随着美国将全球定位系统（GPS）向民用领域开放，通用汽车公司的OnStar系统、福特汽车公司的SYNC系统和宝马公司的Connected Drive系统相继问世。除各汽车公司的服务系统外，还出现了专业的远程服务提供商（Telematics Service Provider，TSP）。第二代车联网系统的主要特点是，连接范围更大、信息更为丰富和定位更精确。

（3）2000年以后，随着互联网和移动互联网的普及，个人智能设备逐渐成为除车载嵌入式系统之外重要的车内信息和通信节点，而车联网的覆盖范围也进一步扩展到整个互联网。同时，谷歌、黑莓和苹果等公司也作为软件提供商成为车联网系统的重要组成部分。

（4）2010年之后，在大数据和人工智能浪潮的推动下，自动驾驶成为车联网发展的新动力。除GPS提供的导航功能外，雷达、激光、高清摄像等技术在车联网系统中的运用，为实现持续和立体化的周边环境感知提供了支撑，而大数据、人工智能等新技术的发展也使基于实时数据的自动驾驶成为可能。

目前，针对车联网的系统构建、通信保障、安全防护和应用探索，全球车联网相关组织的项目和研究工作如表2-2所示。

二、应用场景描述

车联网的应用主要包括车辆诊断、远程控制、轨迹跟踪、固件升级、交通路况和媒体娱乐等，总体上可以划分为安全类应用和非安全类应用。

1. 安全类应用

在车联网的应用中，事关交通事故预警的应用统称为安全类应用。安全类应用能够显著预防交通事故的发生。研究表明，如果驾驶员能提前1到2秒收到预警，则已发生的交通事故中有60%是可以避免的[17]。

（1）预防事故。在车辆高速行驶的过程中，驾驶员只有非常有限的时间来避免冲撞和追尾等事故。安全类应用能够对车辆的异常情况和异常的周边环境进行预警，尽量避免事故的发生，同时确保交通系统的正常运转。例如，如果车辆突然转向或加速，或者周边环境出现异常，车载系统会自动向周边的车辆及信息设施发出预警信息。以交通状况较复杂的交叉路口为例，多股车流交汇，使此地的事故发生率较高。

（2）缓解拥堵。基于对全路网的实时监测，安全类应用可以为驾驶员提供优化的路线方案，降低拥堵的发生概率，确保道路通畅，进而达到提升路网容量、预防事故的效果。

2. 非安全类应用

非安全类应用主要用于气象信息服务、实时路况播报、兴趣点（Point of Interest，POI，如周边停车场、加油站、商店、旅馆和快餐店等）定位等，从而提升通勤效率和乘客舒适度，并实现商业场景（如广告和娱乐类服务）的拓展。

除从应用层切入之外，标识系统还在具体的通信场景中运转，因此需求分析也应该结合不同的通信场景进行。车联网主要的通信场景发生在车辆与车辆、车辆与路边节点单元（Road Side Units，RSU），以及路边节点单元之间（见图2-6）。

（1）车辆间通信（通称为V2V）发生在特定区域内的车辆之间，是车辆间交换信息的直接渠道，主要用于分享环境和预警信息。

（2）车辆与路边节点单元间的通信（通称为V2I）发生在车辆与路边节点单元之间，主要用于获取周边环境、实时路况和天气等信息，同时实现车辆与互联网的连接。

（3）路边节点单元间的通信实现了局部交通信息的交换，用于实现紧急信息的高效扩散。

目前，车联网主要通过标准的TCP/IP（IPv6）协议与互联网连接。同时，通过专用短距通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）或IEEE 1609等协议，实现车辆与周边系统（其他车辆、路边节点单元、信号系统、传感器等）的交互。

三、标识需求探索

（一）可连接性

可连接性是网络基本的考虑因素。对于车联网而言，需要考虑车辆在高速移动的前提下，能够快速地与其他车辆、附近路边节点单元及互联网建立连接，从而确保信息的顺畅传递。与通过固定网络连接的节点不同，车辆在移动过程中不断切换网络接入点，并通过无线通信与外界进行交互。为此，车辆需要具备高效的自动接入各类网络的能力，同时确保连接的稳定可靠。

1. 移动联网

在物联网等概念形成之前，移动性已是互联网架构所面临的主要问题之一。多年来，为了满足移动性场景中网络节点识别、定位和连接的需求，学术界围绕标识系统，从不同角度和不同层次提出了各种探索性方案。随着移动互联网的发展，节点移动的需求进一步提升。根据思科公司预测，到2022年，全球将有超过120亿个移动设备和物联网连接。在全联网时代，随着海量设备的连入及网络接入点的频繁切换，移动性更是无可回避的共性需求。

移动联网要求车辆能够自动完成与当前接入点的连接，并确保车辆自身真正成为网络中可被寻址的节点，避免因人为配置而导致过长时间的脱网。以当前互联网架构为例，移动设备与无线热点建立连接，通过动态主机配置协议（DHCP，Dynamic Host Configuration Protocol）完成IP、网关和域名解析等配置，从而成为真正具备通信能力的网络节点。

关于移动联网的典型研究如下。

（1）IETF的Zeroconf工作组针对办公、家庭和飞行场景，在IP配置、标识解析和服务发现等环节进行创新，提出了自动配置方案。

（2）韩国研究人员提出了DNSNA（DNS Name Autoconfiguration）方案，实现了域名标识的自动更新和注册。具体举例如下：将域名与其他标识相结合，再基于IPv6的邻居发现协议和DHCPv6等协议，获取DNSSL（DNS Search List）并结合自身特征，生成可被全网识别和访问的新域名。

（3）美国国家科学基金会（NSF）旗下的MobilityFirst项目，在诸如智能家居等场景中实现了配置信息的自动更新，确保上层应用能够准确定位设备。

（4）针对当前互联网架构在应对移动性方面的主要障碍（没有明确区分通信标识与地址），全球研究人员开展了多项创新研究：IETF制定了LISP、HIP和Shim6等协议；ITU-T则将标识与地址分离的理念引入Next Generation Network（NGN）框架中。

除上述通常意义上的移动联网需求之外，车联网中还存在一个较强的关联需求，即多点并联（Multi-homing）。为了形成对路网和车辆的全覆盖，避免管理盲区的出现，通常多个路边节点单元所覆盖的区域会有重合。如果车辆处于重合区域内，会发生同时从多个接入点连入网络的情况，因此需要在网络通路配置等方面进行自动优化，确保车辆对外通信的顺畅。

2. 连接稳定

车联网对于连接稳定性的需求主要来自如下三个方面。

（1）车辆内部及车辆与车辆之间的通信主要依赖于无线通信技术，相较于有线网络，其连接稳定性存在固有缺陷。目前，车联网日益依赖于互联网的信息、办公和娱乐服务，因此需要确保车辆与互联网之间的稳定连接。

（2）由于安全类信息事关生命与财产安全，其传递需要较高的稳定性。例如，当遭遇紧急情况时，车辆会自动将相关信息以广播形式发送给其他车辆，如果连接不稳定，可能会造成严重的后果。

（3）在传统的云计算领域，数据中心承担了主要的计算和存储工作。但是，在上传实时的交通信息时，访问互联网会导致较高的成本和较长时间的延迟。因此，出现了车载云（Vehicular Cloud Computing，VCC）的概念，即通过局部聚集的车辆（如拥堵路段或停车场等场景），实现计算资源和存储资源的共享。

3. 异构兼容

车联网场景下的V2V和V2I通信使用了各种无线通信技术，包括IEEE 802.11p、DSRC、WAVE、ITS G5、Wi-Fi和3G/4G/5G等，而且卫星通信技术也开始被用于交通数据的实时传输。因此，要做到全路网的畅通，车联网系统必须要具备异构兼容的能力，能够自动且高效地适配各类网络接入点、路由器和网络协议。

国际标准化组织一直致力于对各类无线通信技术的兼容和整合，相关成果包括车联网通信标准CALM M5，以及基于IEEE 802.11p标准的蜂窝通信技术等。在系统方案探索方面，除常用的协议转换机制之外，欧美国家及日本的研究人员还尝试从标识系统设计层面对异构兼容提供支持。

异构兼容意味着基础架构具有独立性。车辆可能在没有互联网基础架构的情况下，与路边节点单元或其他车辆自行组建网络，完成V2V和V2I通信。类似的异构组网需求也是全联网的共性，联网节点的位置不应受经纬度或具体环境的限制（如野外、大洋等可能没有网络接入点的场景），由此催生了移动自组网（Mobile Ad hoc Network，MANET）这一新兴研究领域。IETF成立的MANET工作组专门研究在无网络基础设施情况下的连接和路由技术，还有研究人员基于IPv6 unicast协议，研究解决异构组网时产生的网络合并/分割的问题。

（二）可识别性

与同构网络不同，车联网内包含组成要素和规模各异的通信域：车内通信涉及各类传感器和车载设备，通常基于有线通信方式；车辆之间及车辆与路边节点单元之间，采用无线通信方式；车辆可通过路边节点单元或网络接入点连入互联网；路边节点单元之间可直接通信或通过互联网交互。

车联网基于不同通信技术构建，为了不同消息的传输优先分级（从交通安全角度考虑，要确保安全类消息的优先传输），必须构建一个全面的、贯穿应用和通信各层面的要素识别系统。

1. 车辆识别

车辆是车联网的核心要素，对于车辆的识别，首要的是满足上层应用的需求。以美国为例，可以通过VIN编码（主要内容与EPC类似，包括出厂国家、厂商、车辆类型、品牌/车型和车辆编号等）查询车辆信息。在车联网场景中，通常的实现方案是通过RFID技术读入这类编码。

在通信层面，车辆的识别目前主要基于标准的互联网架构来实现，如为车辆分配IPv6地址，支撑其作为通信主体的功能。出于责任界定的考虑，安全类信息（如紧急情况下的广播）中必须包含可对车辆进行识别的标识。

2. 其他要素标识

标识识别是车联网感知环境和发现异常的基础。除整车的标识之外，下列要素标识也是车联网标识体系的重要组成部分。

（1）环境。出于高效定位和应急处理的目的，车联网需要对周边环境（如道路等）进行标识。

（2）传感器。近年来，若干车辆的传感器连成一个无线传感网络（Wireless Sensor Network）已成为一种新兴的应用场景，引发对车载传感器进行标识的需求。

（3）路边节点单元。路边节点单元是车辆的主要网络接入点，是具有固定地理位置、承载局部区域管理功能的车联网基础设施。例如，在发送交通路况的WSMP（WAVE Short Message Protocol）信息中，包含了路边节点单元标识信息。

（4）各类信息。对安全类信息赋予较高的传输优先级能够产生良好的效果。因此，为提升重要事件的处理速度，信息也要进行标识。例如，事故信息广播算法HELP（HELLO-Estimated Location-based Procedure）对数据包进行了标识，确保其能被优先转发。WSMP消息中的WAVE Element ID就是用于对信息类型进行识别（服务信息、通道信息和平面/立体位置等）。此外，在基于地理位置的广播机制中，对信息的标识还能防止广播风暴的产生。

3. 标识信息多元化

车联网与交通管理、城市规划和公共安全等具有较强管理和决策需求的应用领域紧密相关。为支撑高效的决策分析，标识应包含与节点相关的空间信息（如车辆所处位置或传感器所处的车身位置等）。

（三）高效率

强实时性是车联网的主要特点之一。由于事关公共交通和人身安全，无论是车辆与信息系统之间，还是车辆之间，都需要进行高效的交互，以确保决策的正确和及时。高效的交互主要包含三方面的需求：信息的快速传输、目标节点的快速定位，以及对消息本身的优化。

1. 快速路由

路由决定了数据包的传输效率。根据研究，安全类信息可允许的响应上限是百毫秒级，而从城市及交通管理的角度来看，传输非安全类信息也应尽可能高效。

有别于固定网络和常规的移动自组网，车联网中车辆高速且频繁的移动导致网络拓扑频繁变动。因此，快速路由的关键在于确保通路信息的高效更新。例如，位于不同区域的车辆进行通信时，如果超出无线传输覆盖范围，则需要在动态变化的网络拓扑中，通过其他车辆或路边节点单元形成多跳路径。

车联网的路由需求有着鲜明的特点，目前主要有以下两种针对性的实现思路。

（1）基于动态网络拓扑的路由。在维持传统路由机制的前提下，为降低路由维护带来的时间成本，常见的思路是对未来时间窗口内的网络形态进行预测。以基于位置移动的路由算法（Movement Prediction-based Routing，MOPR）为例，利用车辆的位置、速度和行驶方向等信息，对其未来的位置进行预测，估算数据传输所需时间，进而选择最为稳定的路由。在选择路由的过程中，基于路由表中的周边车辆的位置、速度、行驶方向和街道信息，对位于同一方向上速度相近的车辆进行搜索，经过计算选出相应的中继节点。

（2）基于地理位置的路由（Position-based Routing）。这种思路是抛弃当前的“路由表机制”，通过位置服务或车辆之间的交互，实现位置信息的获取和交换，确保每辆车都存储有周边车辆的位置、速度和行驶方向。在信息转发的过程中，根据目的节点的地理位置，动态选择周边特定节点作为中继节点。由于目的节点的地理位置信息包含在数据包中，中继节点只需维护自己和周边节点的位置信息，就确保了数据规模的可控，而且不会因网络拓扑变化而导致数据更新，具有良好的可扩展性。根据当前车联网的普遍方案，当紧急情况或交通事故发生时，特定区域内的车辆会接收到相关信息，可能会造成信息在区域内的重复传播及向外的无限制外溢，由此形成的广播风暴可能会导致网络通道的瘫痪。针对这种情况，基于地理位置的路由是目前被普遍认可的方案。基于地理位置路由的适用性已被证明，尤其是在高速公路场景中。因此，如果能将关键性的地理位置信息融合在标识系统中，则可减少获取位置信息所需的信息交互。

2. 冗余优化

车联网主要通过无线通信实现交互，因此要实时监控车辆和周边环境，需要尽可能提升传输有效数据的能力。因为车联网网络拓扑的频繁变动，相应产生的路由或位置等数据的更新必然会占用一定的通信带宽，所以车联网标识系统应尽可能地降低延迟、提高吞吐率并减少相关的计算和通信冗余。涉及冗余优化的典型案例如下：在发生拥堵时，多辆相距较近的车辆自动组网并通过算法选出唯一的头节点，通过其统一向路边节点单元提交信息，从而达到降低传输量、减少带宽占用的目的。

（四）安全性

1. 安全隐患

随着信息化与汽车工业融合的日益深入，越来越多的车辆实现了联网或互联，也相应地暴露在各类网络安全风险之下。近年来，克莱斯勒的Uconnect系统、宝马的Connected Drive系统、特斯拉的Model S控制系统及大众的Megamos Crypto防护系统等，都被证实存在重大漏洞。以麦肯锡的调查为例[19]，车联网的安全隐患主要包括非法入侵和隐私泄露两个方面。

（1）非法入侵。对于车联网来说，身份认证是非常重要的环节。例如，攻击者将虚假的拥堵信息发送到车联网内的各条通路上，可能会引发交通混乱。更为严重的是，虚假信息可能会引发周边车辆的应急反应（如急刹车等），极有可能导致众多车辆严重事故。

（2）隐私泄露。隐私问题同样是车联网安全的研究重点。攻击者只需通过低成本的无线接收设备，就能窃听区域内的所有无线通信。另外，当代社会车辆与人的关联很容易建立，因此通过人车关联及车辆定位，就能勾勒出特定个体的行为轨迹。而且，车联网应用通常需要传输精确的位置信息，这就进一步加重了隐私泄露的风险。

与此同时，互联网上常见的威胁也是车联网安全防护的重点。例如，DDoS等攻击可能导致网络的瘫痪，使车联网相关服务和应用失效，也可能会使基于车辆间通信形成的车辆自组网形同虚设，严重影响紧急/重要信息的传输。

2. 隐私保护

由于车联网通信发生在车载平台、传感器、路边节点单元及互联网接入点（移动基站等）之间，涉及面较广，而且网络和数据的安全事关隐私和人身安全，需要有全方位的防护机制。

当前，针对车联网场景的安全机制主要包括以下几种。

（1）基于公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI）的认证机制。严格的认证和访问控制可以确保通信对端（人、车、传感器）是安全可信的。而且，如果在标识中包含了位置等敏感信息，则更应该在标识系统层面进行安全性设计，防止重要数据的泄露和被篡改。

（2）临时性标识。标识是车联网隐私泄露的主要风险点。例如，IP地址如果保持不变，则会随着数据的积累产生隐私泄露的潜在风险。目前，临时性标识的匿名效果已被证明是可以量化的，有助于各类方案之间的比较选优，而且附加的系统冗余较小。除临时性标识的定期更换外，还可以在特定的静默时间后更换标识，进一步降低隐私泄露的风险。

（3）分组隔离。通过车辆分组（如同一区域、车速相近、方向一致或同一道路等）构建自组网，组内只有特定节点与外界联系，其他车辆则可保持对外静默，在实现路况等信息共享的同时确保隐私安全。

3. 数据完整性

绝大多数的车联网应用都要依赖于准确的地理位置信息，如路况报告、冲撞预防、安全预警和协同驾驶等。在系统层面，基于地理位置的路由、重要信息的广播及抗DDoS等技术的实现同样无法离开准确全面的地理位置信息。同时，在交通事故定责方面，也应防止对地理位置信息的篡改。

车辆信息通常是通过GPS获取自身的地理位置信息，并通过无线通信接收附近车辆的地理位置信息。同时，也可通过局部或全局性的位置服务获取特定车辆的地理位置信息（通常不在车辆无线消息的覆盖范围内），或者基于特定方案实现地理位置信息的交换（如每个节点用特定协议数据包来确定周边节点的地理位置信息）。

对于地理位置信息的完整性，如果以GPS为数据源，则可基于认证的定位方式进行连接，确保信息的真实可靠。对于假造GPS信号进行欺骗的问题，研究人员提出了基于基站的定位机制：通过车辆与车辆之间的距离探测，确认车辆的平面位置乃至立体位置。

（五）其他需求

除上述主要需求之外，车联网还有本地化和低成本等需求。

1. 本地化

结合PKI等机制，车辆及路边节点单元之间构建了封闭的本地局域网络，形成了一个相对独立的管理域，具有范围较小、规模有限、效率和安全要求较高等特点。如果能够在标识层面提供支持，则可在本地局域网络生命周期内提供更为快捷的识别机制，为高效通信、定制应用、安全管理提供支持。

2. 低成本

车联网的规模量级决定了成本是重要的考虑因素，通用汽车最初的车联网探索就是因为成本问题而被迟滞。目前，由于访问互联网的成本过高，车联网对低成本通信模块有着巨大的需求。虽然蜂窝技术确保了通信容量和带宽（在美国、欧洲和日本已普遍被用于为船队和车辆提供服务），但其较高的成本成为其在车联网领域获得广泛应用的主要阻碍之一。相反，802.11p技术因其单位成本已低于蜂窝技术的单位成本，因此在车联网领域中占据了优势地位。

（六）小结

综上所述，对车联网标识系统需求进行归纳，可提炼为以下几个方面（见图2-7）。

（1）节点能够在网络切换过程中自动被识别、定位和访问，同时保持连接的稳定性。

（2）节点能够被快速地发现、定位和访问，其中涉及对计算、存储、通信的优化，以及对智能应用的支撑（如标识信息多元化）。

（3）数据和通信的安全，包括防止非法入侵、定位追踪及与驾驶员的关联，以及对数据（尤其是地理位置）的验真。

（4）为地理、网络或管理视角下的隔离机制提供支撑，包括自组网的管理、分组机制下的隐私保护及高效灵活的服务供给。

（5）对各类软硬件系统、网络协议和底层通信技术的支持。