شبکه‌های خودرویی (بین خودرویی) با عنوان Vehicular ad hoc network به اختصار VANET در زیر مجموعه شبکه‌های کامپیوتری قرار دارند. در شبکه‌های خودرویی، خودروها گره‌های متحرک هستند و با یکدیگر ارتباط دارند که این ارتباط می‌تواند به دو صورت، ارتباط خودرو به خودرو و ارتباط با زیرساخت کنار جاده‌ای باشد. به خاطر تحرک بالای خودروها و محیط خاص این شبکه‌ها، ارتباطات بین‌خودوریی در این شبکه‌ها متفاوت از دیگر انواع ارتباطات بی‌سیم هستند.
شبکه خودرویی VANET چیست؟
شبکه‌های خودرویی VANET (Vehicle Ad-Hoc Network) شبکه‌هایی هستند که برای ارتباطات بین خودروها و سایر عوامل حرکتی مانند ایستگاه‌های پایه، تجهیزات جاده‌ای و حتی تلفن‌همراه‌ها استفاده می‌شوند. این شبکه‌ها برای بهبود امنیت و کارایی در حوزه‌هایی مانند اطلاع‌رسانی ترافیکی، جلوگیری از تصادفات، مدیریت ترافیک و حمل و نقل هوشمند استفاده می‌شوند.
در شبکه خودرویی VANET، هر خودرو با دیگر خودروها و زیرساخت‌های ارتباطی دیگر ارتباط برقرار می‌کند و اطلاعات مختلفی مانند سرعت، موقعیت جغرافیایی، وضعیت رانندگی و غیره را با یکدیگر به اشتراک می‌گذارند. این اطلاعات سپس برای تصمیم‌گیری‌های هوشمندانه‌تر و بهبود کیفیت خدمات مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
از جمله موارد استفاده از شبکه خودرویی VANET می‌توان به اعلام اتوماتیک تصادفات، هشدار دادن در مورد موانع یا شرایط خطرناک، مسیریابی هوشمند برای کاهش ترافیک و غیره اشاره کرد.
مقدمه‌ای بر شبکه‌های VANET
امنیت در حرکت وسایل نقلیه همواره به‌عنوان یک محرک برای ابداع ایده‌ها و طرح‌های جدید در زمینه ترافیک مورد توجه قرار گرفته است. در سال‌های اخیر، با پیشرفت‌های برجسته‌ای که در حوزه فناوری، به‌ویژه فناوری‌های دیجیتال، صورت گرفته است، کنترل ترافیک به‌منظور ارتقای ایمنی نیز به این سمت هدایت شده است. سامانه‌های نظارت بر ترافیک که در حال حاضر استفاده می‌شوند، با مشکلاتی همچون تاخیر در واکنش و عدم انتقال اطلاعات به رانندگان دیگر روبه‌رو هستند. بنابراین، در این راستا، ایده‌های نوآورانه‌تری در سال‌های اخیر در دست اجرا قرار گرفته‌اند که از جمله آنها می‌توان به شبکه خودرویی اشاره کرد که به نام VANET معروف است.
بطور کلی، بسیاری از تصادفات به دلیل خطاهای انسانی و ناتوانی راننده در درک وضعیت جاده و شرایط پیش رو اتفاق می‌افتد. با استفاده از شبکه خودرویی، می‌توان کنترل وسایل نقلیه را به سمت سیستم‌های کنترل اتوماتیک هدایت کرد و با انتقال اطلاعات بین وسایل نقلیه، می‌توان تعداد قابل‌توجهی از تصادفات را کاهش داد. به عنوان مثال، خودروهایی که در جلوی سایر خودروها حرکت می‌کنند، می‌توانند سایر رانندگان را با انتقال اطلاعات درباره وضعیت جاده از قبیل لغزش، یخبندان، نقاط کور و یا وقوع تصادف، آگاه کنند تا زمان بیشتری برای واکنش مناسب یا تغییر مسیر برای آنها فراهم شود.
از سال ۱۹۹۰ میلادی به بعد، با استفاده از سیستم موقعیت‌یابی جهانی (GPS) و فرستنده/گیرنده‌های شبکه‌های محلی، پژوهش‌های فراوانی در حوزه ارتباطات بین خودروها صورت گرفته است. هدف اصلی این فعالیت‌ها، افزایش ایمنی جاده، بهره‌وری حمل‌ونقل، و کاهش تأثیرات منفی حمل‌ونقل بر محیط زیست بوده است. به دلیل اهمیت این اهداف برای افراد و جوامع، پروژه‌های مختلفی در این زمینه در حال اجرا بوده و یا به تازگی به اتمام رسیده‌اند، و همچنین تعداد زیادی از همکاری‌ها برای کشف قابلیت‌های این شبکه‌ها صورت گرفته است.
این پروژه‌ها شامل چندین صنعت، از جمله صنعت خودروسازی، اپراتورهای جاده‌ای، آژانس‌های دریافت عوارض، و سایر ارائه‌دهندگان خدمات است. این پروژه‌ها به طور قابل توجهی از سوی دولت پشتیبانی شده‌اند. شبکه‌های خودرویی فناوری نوآورانه‌ای هستند که هدف آنها یکپارچه‌سازی قابلیت‌ها و امکانات شبکه‌های بی‌سیم نسل جدید خودروها است. انتظار می‌رود که در آینده، شبکه‌های خودرویی جایگاه بزرگتری را به‌دست آورده و توجه بیشتری را به‌خود جلب کنند.
این شبکه‌ها به خودروها اجازه برقراری ارتباط با یکدیگر و همچنین با زیرساخت‌های شبکه خودرویی را می‌دهند. در شبکه‌های خودرویی، از زیرساخت‌های کنار جاده‌ای ثابت نیز استفاده می‌شود. دلیل استفاده از این زیرساخت‌ها، شامل کاربردهای مختلفی از جمله اجتناب از تصادم، مدیریت ترافیک در مقیاس بزرگ، دسترسی به اینترنت، و غیره می‌باشد.
معماری شبکه های بین خودرویی
در یک سیستم شبکه بین خودرویی از تجهیزات مختلفی استفاده می‌شود. اجزای اصلی این سیستم شامل سه وسیله است:
- RSU (Roadside Unit): این واحد میزبان برنامه‌های کاربردی است که مسئول ارائه خدمات مختلف در شبکه می‌باشد. RSU بر روی دکل‌هایی که در کنار جاده‌ها قرار می‌گیرند، نصب می‌شود.
- OBU (On-Board Unit): OBU وسیله‌ای است که بر روی خودرو نصب می‌شود و برای ارتباط با RSUها و یا دیگر واحدهای OBU استفاده می‌شود. این واحد برای تبادل اطلاعات در شبکه استفاده می‌شود.
- AU (Automotive Unit): AU نیز یک وسیله است که در داخل خودرو قرار دارد و از برنامه‌های کاربردی مختلفی استفاده می‌کند که با استفاده از امکانات ارتباطی OBU اجرا می‌شوند. AU نیز می‌تواند از طریق OBU به اینترنت متصل شود. تفاوت اصلی بین AU و OBU در این است که AU بیشتر برای استفاده در داخل خودرو و برنامه‌های کاربردی مخصوص خودرو طراحی شده است، در حالی که OBU بیشتر برای تبادل اطلاعات در شبکه بین خودروها و RSUها استفاده می‌شود.
در این سیستم، ارتباطات بین خودروها و ارتباطات بین خودروها و ساختار شبکه از طریق یک میانجی به نام WAVE صورت می‌گیرد و اطلاعات مورد نیاز در اختیار رانندگان قرار می‌گیرد.
تجهیزات شبکه خودرویی
برای ارتباط مستقیم بین خودروها در شبکه خودرویی، تجهیزات مختلفی نیاز است که شامل موارد زیر می‌شود:
-
سیستم ارتباطی بی‌سیم:
- این سیستم شامل انتقال دهنده‌های رادیویی است که امکان ارسال و دریافت اطلاعات بین خودروها را فراهم می‌کند. با توجه به پیشرفت تکنولوژی، انتقال دهنده‌های رادیویی کوچکتر و ارزان‌تر شده‌اند که این امر امکان استفاده گسترده از آنها در ارتباطات بین خودروها را فراهم کرده است.
-
سیستم مکان‌یابی:
- استفاده از سیستم مکان‌یابی مبتنی بر GPS به خودروها امکان می‌دهد تا موقعیت جغرافیایی خود را دقیقاً تعیین کنند. این اطلاعات موقعیت بهبود مسائل مرتبط با مسیریابی، مکان‌یابی و اطلاعات مکانی را فراهم می‌کند.
-
پردازشگر حافظه:
- پردازشگر حافظه به منظور تحلیل، ذخیره و پردازش داده‌های دریافتی و جمع‌آوری شده از سایر خودروها به کار می‌رود. این پردازشگرها اطلاعات مهمی را درباره موقعیت، سرعت و سایر وضعیت‌های خودروها فراهم می‌کنند که برای ارتباطات و مدیریت ترافیک بسیار حیاتی است.
این تجهیزات با همکاری و هماهنگی در سیستم شبکه خودرویی برای بهبود ارتباطات و مدیریت خودروها در جاده‌ها استفاده می‌شوند.
ویژگی های شبکه خودرویی
ویژگی‌های شبکه خودرویی شامل موارد زیر است:
- تحرک بالا: محیط در شبکه خودرویی بسیار پویا است و به دلیل تحرک بسیار بالای خودروها، همسایگان هر خودرو ثابت نیستند.
- شبکه جزبندی شده: شبکه‌های خودرویی بارها جزبندی می‌شوند و ممکن است تفاوت‌های بزرگی در ترافیک وجود داشته باشد که باعث ایجاد کلاسترهایی از نودها می‌شود که از هم جدا هستند.
- توپولوژی جغرافیایی محدود شده: گره‌ها به طور نرمال با توپولوژی ثابت در سراسر جاده حرکت می‌کنند و به سادگی می‌توان مکان آینده خودروها را پیش‌بینی کرد.
- مقیاس بزرگ: شبکه‌های خودرویی ممکن است در مناطق بزرگ گسترده شوند و شامل تعداد زیادی گره باشند.
- مبتنی بر زیرساخت: شبکه‌های خودرویی دارای واحدهای کنار جاده‌ای هستند که سرویس‌هایی را برای خودروها فراهم می‌کنند.
- زمان اتصال کوتاه: به دلیل تحرک زیاد خودروها، زمان اتصال برای یک لینک ارتباطی بسیار کوتاه و بی‌ثبات است.
- تحرک قابل پیش‌گویی: حرکت خودروها در جاده‌ها قابل پیش‌بینی است.
- بدون محدودیت توان: مسأله توان در شبکه‌های خودرویی مشکلی نیست و توان مورد نیاز توسط باتری‌های خودرو تأمین می‌شود.
- توانایی بالای محاسبه: کامپیوترهای خودروها می‌توانند با ابزارهای محاسباتی سنگین و بزرگ‌تر مجهز شوند و دارای نرخ داده بالاتری باشند.
- اطلاعات اضافی برای بهینه‌سازی پروتکل: استفاده از GPS یا نقشه‌های دیجیتالی جاده به سیستم ارتباطی اضافه می‌شود و این ابزارها بهبودی در عملکرد شبکه می‌آورند.
پروتکل های مسیریابی در شبکه های خودرویی
مهمترین بخش هر شبکه‌ای پروتکل مسیریابی آن می‌باشد. یک پروتکل مسیریابی، مسیرهای نقل و انتقال داده را مدیریت می‌کند، پروتکل مسیریابی شامل رویه‌ای برای برقراری ارتباط، تصمیم‌گیری برای ارسال و اقدامات لازم جهت نگهداری مسیر می‌باشد. همچنین پروتکل مسیریابی باید قادر به ترمیم مسیرهای دچار خطا باشد. تعدادی از پروتکل‌های مسیریابی در اصل برای شبکه های MANET معرفی شده‌اند ولی قابل استفاده برای VANET نیز می‌باشند. البته برای اینکار باید این پروتکل‌ها را برای شبکه‌های خودرویی تطبیق داد. شکل زیر یک طبقه‌بندی کلی از پروتکل‌های مسیریابی در شبکه‌های خودرویی را نشان می‌دهد.
امنیت در شبکه‌های خودرویی
امنیت شبکه فرآیندی است که طی آن یک شبکه در مقابل انواع مختلف تهدیدات داخلی و خارجی امن می‌شود. پس از تعیین دارایی‌های شبکه و عوامل تهدیدکننده آنها، باید خطرات مختلف را ارزیابی کرد. در بهترین حالت باید بتوان از شبکه در مقابل تمامی انواع خطا محافظت کرد، اما امنیت ارزان به دست نمی‌آید بنابراین باید ارزیابی مناسبی را بر روی انواع خطرات انجام داد تا مهمترین آنها را تشخیص دهیم و از دیگر منابعی که باید در مقابل این خطرات محافظت شوند نیز شناسایی شوند. دو فاکتور اصلی در تحلیل خطر عبارت‌اند از:
- احتمال انجام حمله
- خسارت وارده به شبکه در صورت انجام حمله موفق
وقتی اطلاعات در بین اشخاص ناشناس جمع‌آوری و تقسیم می‌شوند؛ نگرانی‌ها در خصوص موثق و قابل‌اعتماد بودن اطلاعات یک سیستم افزایش می‌یابد، برای مثال یک فرستنده می‌تواند در بیان مشاهدات به خاطر نفع خود سوءاستفاده کند؛ یک ارتباط قابل‌اعتماد عموماً باید دو خصوصیت داشته باشد:
- فرستنده درنهایت به‌عنوان یک منبع قابل‌اعتماد پذیرفته شود.
- پیام فرستنده در حین انتقال دست‌کاری نشود.
یک چالش مهم در امنیت VANET فراهم آوردن اعتبارسنجی فرستنده در ارتباطات هست.
انواع حملات در شبکه‌های بین خودرویی
هدف اصلی امنیت در شبکه‌های بین خودرویی نگهداری اطلاعات و منابع در برابر حملات است. شبکه‌های بین خودرویی می‌بایست امکانات امنیتی را که در حوزه اطمینان از محرمانگی اطلاعات ، پنهان‌سازی اطلاعات شخصی ، تصدیق و اعتبار دستگاه‌ها ، اعتبار داده ، در دسترس بودن شبکه در طول ارتباطات و مقوله انکارناپذیری مهیا سازد.
حملات متعددی وجود دارد که می‌تواند عملکرد عملیات در VANET را تحت تأثیر قرار دهد. برخی از این حملات داخلی هستند (از وسایل نقلیه مجاز داخلی که وسایل نقلیه مخرب یا خطرناک هستند) اتفاق می‌افتد و برخی دیگر حملات خارجی هستند (از وسایل نقلیه خارجی که متعلق به یک VANET خاص نیستند رخ‌داده است).
در یک دسته‌بندی حمله‌ها به حملات منفعل و حملات فعال طبقه‌بندی می‌شود. حمله منفعل ترافیک رمزگذاری نشده را نشان می‌دهد و به دنبال رمز عبور مشخص متن و اطلاعات حساس است که می‌تواند در انواع دیگر حملات مورد استفاده قرار گیرد. حملات منفعل عبارت‌اند از: تجزیه‌وتحلیل ترافیک، نظارت بر ارتباطات محافظت نشده و غیره.
حملات منفعل حاصل افشای اطلاعات و یا فایل داده‌ها به یک مهاجم، بدون رضایت یا آگاهی کاربر است. در حمله فعال مهاجم سعی در دور زدن و یا شکستن سیستم‌های امنیتی دارد. حملات فعال شامل تلاش برای دور زدن یا شکستن ویژگی‌های حفاظت، معرفی کدهای مخرب و به سرقت بردن و یا تغییر اطلاعات است. حملات فعال درنتیجه افشا یا انتشار فایل داده‌ها و اصلاح داده‌ها است. برخی حملاتی را که می‌تواند با VANET ها روبرو باشد، عبارت‌اند از:
- محرمانه بودن پیام (Message spoofing): خودروی استراق سمع کننده پیام‌های دروغین را به وسایل نقلیه دیگر ارسال می‌کند تا آنها را فریب دهد و اطلاعات اشتباهی را منتشر کند.
- حمله جواب پیام (Message replay attack): خودروهای مخرب، پیام‌های گذشته را به‌منظور شلوغ کردن ترافیک ارسال می‌کنند.
- حمله‌ی یکپارچه (Integrity attack): وسیله نقلیه ناسازگار می‌تواند درزمینه‌ی پیام‌هایی که توسط خودروهای قانونی ارسال می‌شود تغییر ایجاد کنند یا خودشان را از دانستن داده‌های اصلی یا فرستنده واقعی این اطلاعات گمراه کنند.
- حمله انتحاری (Impersonation Attack): خودروی استراق سمع کننده ادعا می‌کند که یک وسیله قانونی برای ارسال پیام‌های دروغین به سایر وسایل نقلیه و گره‌های راه دور است.
- حمله انکار سرویس ( DoS): وسیله نقلیه ناسازگار پیام‌های نامناسب یا غیر مهم را برای ذخیره پهنای باند وسیع کانال ارتباطی و مصرف منابع بیشتری از وسایل نقلیه دیگر ارسال می‌کند.
- ردیابی حرکت (Movement tracking): وسیله نقلیه ناسازگار می‌تواند به برخی از اطلاعات دیگر وسایل نقلیه دسترسی پیدا کند که به دنبال موقعیت و سرعت آن است. ازاین‌رو، می‌تواند رفتار آینده این وسایل را تشخیص دهد و بر عملکرد انتقال آنها تأثیر بگذارد.
کیفیت سرویس در شبکه های خودرویی
کیفیت سرویس QoS به‌صورت مجموعه‌ای از الزامات که باید توسط شبکه در طول انتقال بسته از مبدأ آن به مقصد تکمیل و انجام شود تعریف می‌شود.
توصیه‌نامه E.800 کمیته مشورتی سازمان ملل متحد برای تلفن و تلگرافی بین‌المللی (CCITT) QoS را به این صورت تعریف می‌کند: تأثیر جمعی کارایی سرویس که میزان رضایت کاربر این سرویس را تعیین می‌کند.
در سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم، معیارهای کارایی QoS ممکن است به QoS سطح بیت،QoS سطح بسته و QoS سطح فراخوانی طبقه‌بندی شوند. برنامه‌های مختلف VANET به‌طورمعمول و معمولاً نیاز به سطوح مختلف QoS دارند.
به‌عنوان‌مثال، برنامه‌های کاربردی زمان واقعی (مانند کنفرانس صوتی) به‌طورکلی حساس به تأخیر هستند؛ بنابراین، بسته‌ها باید در یک محدودیت زمان با کمترین هدر رفت بسته منتقل شوند، بااین‌حال این برنامه‌ها تحمل‌پذیری خطای کمی دارند. در مقابل، برنامه‌های کاربردی مربوط به داده‌ها مانند به اشتراک‌گذاری فایل به‌طورکلی تحمل‌پذیر خطا هستند اما نیاز به‌دقت بسته بالایی دارند.are broadcasting techniques in VANET گذاشته شده است. این مقاله بصورت جامع در مورد روش های انتشار آگاه از QoS در شبکه های خودرویی بررسی انجام داده است.
سخن آخر شبکه بین خودرویی
شبکه های بین خودرویی در واقع کاربردی ازشبکه‌های موردی متحرک هستند که پتانسیل ایجاد امنیت در جاده‌ها و راحتی مسافرین را دارا بوده و از لحاظ معماری ساخت، خصوصیات و کاربرد‌ها متفاوت از شبکه‌های موردی می‌باشند.
یکی از چالش‌های مهم مطرح شده در مورد شبکه های نقلیه موضوع مسیریابی به همراه داشتن بیشترین زمان اتصال بین خودروها در این شبکه‌ها است. پروتکل‌های مسیریابی مبتنی بر موقعیت که بیشتر بر پایه مسیریابی حریصانه استوار هستند از بین بقیه پروتکل‌ها برای شبکه‌های متحرک مناسبتر می‌باشند.
