Đề tài Vehicular ad-hoc netwok (VANET) Mạng di dộng tùy biến trong xe hơi

Vehicular ad-hoc netwok (VANET) Mạng di dộng tùy biến trong xe hơi Nội dung: Mở đầu Giới thiệu đề tài Ngày nay với xu thế phát triển mãnh mẽ về công nghệ thông tin, điện tử viễn thông kết hợp với sự đa dạng và phong phú về phương tiện kĩ thuật đã tạo nên những hình thái phát triển mới nhằm phục vụ cho đời sống con người. Thông tin liên lạc được mở rộng với những lĩnh vực mới hứa hẹn nhiều sự phát triển, Mạng di động tùy biến trong xe hơi cũng là một lĩnh vực đang được các nước phát triển nghiên cứu và đưa vào sử dụng nhằm đưa lại những hiệu quả, những điểm nhấn mới trong bước phát triển của xe hơi. Để có thể hiểu hơn về sự phát triển, những bước tiến của lĩnh vực này nhóm chúng tôi muốn giới thiệu cho người đọc tổng quan về những khái niệm, tổng quan về mô hình hệ thống cũng như là nhưng công nghệ được sử dụng trong mô hình mạng trong mạng di động tùy biến cho xe hơi ( VANET ). Phân công công việc Nhóm thưc hiện : Trần Mậu Thành – Nhóm trưởng. Lê Công Chỉnh. Trần Thế Kiên. Phân công công việc : Phần 1 : Mở đầu - Trần Thế Kiên. Phần 2 : Nội dung chi tiết : VANET là gì : Trần Thế Kiên. Ứng dụng của VANET trong đời sống : Trần Thế Kiên. Mô hình hệ thống trong VANET : Trần Mậu Thành. Phát triển hệ thống VANET : Trần Mậu Thành. An toàn hệ thống trong VANET : Lê Công Chỉnh. Phần 3 : Kết Luận - Lê Công Chỉnh Nội dung chi tiết VANET là gì? VANET – Vehicular ad-hoc netwok (mạng di động tùy biến trong xe hơi) là một phần đặc biệt của Mobile Ad-hoc network. Nó là một hệ thống với các thiết bị không dây giữa các xe, các trạm cố định trên các tuyến đường tạo thành một mạng, mọi giao tiếp được thực hiện trong mạng, hệ thống sẽ giúp xe hơi có thể liên lạc với nhau để chia sẻ thông tin lẫn nhau : thông tin về giao thông, tình trạng kẹt xe, tắc đường, những tai nạn phía trước hay những cảnh báo về nguy hiểm. VANET sử dụng các công nghệ tiên tiến khi sử dụng hệ thống mạng không dây để kết nối với nhau. Những công nghệ này giúp ích rất nhiều trong quá trình phát triển đặc biệt là mạng di động tùy biến trong xe hơi. Những công nghệ này thì được chia làm 2 nhóm chính trong đó có những mạng lưới sử dụng công nghệ có diện tích bao phủ lớn như GMS, GPRS hoặc UMTS có băng thông vừa phải, ngoài ra còn sử dụng những công nghệ có diện tích nhỏ như WLAN với băng thông lớn. VANET sử dụng nhiều kiểu công nghệ di dộng như WiFi IEEE 802.11, WiMAX IEEE 802.16, Bluetooth, IRA, ZigBee,... để dễ dàng trong việc trao đổi, sự chính xác hiệu quả về thông tin giữa các xe với nhau. Ứng dụng của VANET trong đời sống: Một ứng dụng mạng trong xe hơi đòi hỏi giao tiếp không dây sử dụng công nghệ của mạng di động, Hiện nay có nhiều công nghệ khác nhau trong mạng di dộng như Wireless LAN, mạng di động, mạng tùy biến. Tùy theo yêu cầu của ứng dụng chúng ta có thể tùy chọn những công nghệ khác nhau để phù hợp với hệ thống. Qua đó ta có thể chia những ứng dụng đó thành 2 loại: An toàn trong giao thông: Với việc sử dụng hệ thống trên việc bảo đảm an toàn trong giao thông có thể được thực hiện khá triệt để khi hệ thống sẽ cho cũng cấp những vấn đề xảy ra trong quá trình tham gia giao thông như sự chuyển hướng đi lại của một thành viên trong hệ thống, những làn xe đang chạy hay những tai nạn phía trước sẽ được thông tin đến toàn bộ các xe trong hệ thống giúp các xe có thể xử lí một cách hiệu quả. Những ứng dụng khác: Ngoài ứng dụng trên nó còn những điểm mạnh khác như việc cảnh báo cho người sử dụng có thể biết được việc vượt quá vi phạm trong các quy định khi lưu thông làm ảnh hưởng đến toàn bộ lưu thông của hệ thống, hệ thống sẽ giúp cho việc quản lí xe trên các tuyến đường của lực lượng cảnh sát giao thông có thể phân luồng giao thông rõ ràng, biết được sự hoạt động của xe, nhắc nhở những xe vi phạm. An ninh trên các tuyến đường cũng được củng cố tạo cảm giác an toàn khi lưu thông. Mô hình hệ thống. Như chúng ta đã biết VANET là một phần trong mạng di động nó cung cấp những giao tiếp giữa xe gần đó với những xe trong mạng lưới ( V2V ) và thiết bị cố định ở gần ( V2I ). Trong phần này chúng ta sẽ nghiện cứu về mô hình mạng trong VANET đồng thời chúng ta sẽ mô tả sự an toàn khi gửi một tin nhắn trong mạng. Hệ thống mạng. Mô hình hệ thống mạng trong VANET Một mạng lưới mạng xe hơi bao gồm 2 tầng. Ở tầng trên bao gồm các ứng dụng từ máy chủ (ASs) và các điểm nối RSUs. Những ứng dụng máy chủ này có thể kết nối với các điểm truy cập thông qua các kênh an toàn, chẳng hạn như lan truyền với các giao thức bảo mật (TLS) với 2 cách kết nối là sử dụng dây hoặc không dây. Ứng dụng máy chủ cung cấp dữ liệu cho các điểm truy cập và RSU thì sẽ cung cấp các dữ liệu cho các lớp thấp hơn - ở đây chính là những xe tham gia vào mạng lưới. Tất cả các xe và Các RSU thì sẽ được đồng bộ hóa về mặt thời gian, Xe có thể giao tiếp với nhau và cũng có thể giao tiếp với RSU. RSU có khả năng tính toán cao hơn và độ tin cậy được xem như là tuyệt đối hơn vì toàn bộ dữ liệu của RSU đã được ứng dụng máy chủ Ass xử lí và cung cấp. Hình trên minh họa một hệ thống mạng sử dụng VANET điển hình bao gồm các xe,các điểm truy cập trên đường và một tập hợp các máy chủ,Phương tiện di chuyển trên đường bộ, chia sẻ môi trường thông tin với nhau với các máy chủ thông qua các điểm truy cập. Hình trên mô tả chi tiết về mô hình của hệ thống. Khi 1 xe đăng kí sử dụng dịch vụ của VANET, hệ thống sẽ cấp 1 khóa ( cách để phân biệt các xe trong hệ thống mạng ) để tiện cho việc quản lí thông qua cơ quan kiểm soát (RA). Khi đó cơ quan RA có thể biết được những xe nào đang sử dụng dịch vụ và cũng tạo nên một sự an toàn khi sử dụng dịch vụ. Với 1 xe A được sử dụng 2 giao tiếp V2V và V2I sẽ có 1 mạch điều khiển và những thông tin về dữ liệu từ môi trường ( như là vị trí, tốc độ xe, vv...). Khi truyền các thông tin liên lạc qua các giao tiếp cố định sẽ thống qua các đơn vị road side được kết nối với máy chủ thông qua thiết bị mạng. Tiếp đó máy chủ sẽ ghi lại các dữ liệu có được từ RSU và sau đó xử lí dữ liệu cùng với các nguồn thông tin ở khác như từ các trung tâm quản lí giao thông, các nhà sản xuất xe, trung tâm thời tiết,vv... Máy chủ cũng sẽ cung cấp về vị trí thông qua 1 dịch vụ gọi là SP. Dịch vụ này sẽ có chức năng cung cấp đầy đủ cho mạng VANET toàn bộ thông tin để qua đó những xe sử dụng biết được các thông tin cần thiết cho việc xử lí. An toàn thông tin. Với những ứng dụng mà VANET có thể thực hiện ta có thể xét đến tính an toàn của mỗi thông tin , thông điệp. ở đây chúng ta có thể phân loại thông tin thành 3 lớp : thông tin giao thông, tin nhắn an toàn của hệ thống, trách nhiệm pháp lí. Thông tin giao thông được sử dụng để đưa ra tình trạng giao thông trong một khu vực nhất định nên nó có những ảnh hưởng gián tiếp đến an toàn hệ thống như việc ngăn ngừa những tai nạn tiềm tàng do tắc nghẽn. Tin nhắn an toàn của hệ thống được sử dụng bởi sự an toàn của hệ thống như việc tránh những va chạm do phải đáp ứng những nhu cầu nghiêm ngặt về sự chính xác do đó phải có những sự ràng buộc tránh sự chậm trễ trong quá trình hoạt động. Trách nhiệm pháp lí liên quan đến các tin nhắn được phân biệt từ các lớp trước vì nó cung cấp các thông tin liên quan đến trách nhiệm với những cảnh bảo hay những thông điệp được gửi đi, vì thế mà trách nhiệm pháp lí đối với mỗi thông điệp phải được xác định thông qua những thông tin đăng kí của người gửi với cơ quan pháp lí. Việc phân loại các tin nhắn này sẽ giúp ích khá nhiều trong khi phân tích sự an toàn trong hệ thống khi có sự đột nhập từ ngoài vào. Một thông tin an toàn điển hình sẽ bao gồm vị trí, tốc độ, hướng, gia tốc của xe ngoài những thông tin cụ thể về các sự kiện giao thông đang diễn ra ( ví dụ như là thông tin về sự tắc nghẽn hay những tai nạn xảy ra ). Nếu người gửi đối mặt với một sự cố bất ngờ( có thể là xảy ra tai nạn ) những dữ liệu này sẽ giúp tính toán vị trí xảy ra sự cố và xác định xem sự cố gặp phải là gì qua đó truyền thông tin cho hệ thống Phát triển hệ thống. Công nghệ mạng không dây. Với những kết nối trong VANET sử dụng công nghệ không dây đòi hỏi một số tiêu chuẩn chung trong quá trình phát triển mạng lưới không dây bằng cách sử dụng những công nghệ đã được áp dụng như : Công nghệ IEEE 802.11P: Chuẩn này được phát triển để hỗ trợ giao tiếp giữa xe và các thiết bị cung cấp được đặt cố định trên hệ thống ( thông thường nó được nằm ở bên lề đường ) hoặc giữa các xe với nhau tốc độ hoạt động có thể lên đến 200km/h với phạm vi xử lí nằm vào khoảng 1000 mét. Các lớp PHY và MAC dựa trên chuẩn IEEE 802.11a, Chuyển sang băng tần 5,9GHz. Với việc sử dụng công nghệ này thì chi phí để triển khai hệ thống là tương đối thấp. Công nghệ 3G/4G: Ở thế hệ thứ 3 (3G) là thế hệ tiếp theo của công nghệ mạng không dây cung cấp băng thông với tốc độ cao. Mạng 3G hỗ trợ 128 kbit/s cho phép các thiết bị chuyển động nhanh, đặc biệt là trong quá trình vận hành của xe trong hệ thống. Việc ứng dụng công nghệ này sẽ giúp cho việc xử lí những lượng dữ liệu lớn trong mô hình V2V được thông suốt và trành trường hợp nghẽn mạng xảy ra. Nhưng nó cũng có những mặt hạn chế với việc sử dụng hệ thống này đòi hỏi việc trang bị các phương tiện kĩ thuật hay những thiết bị với chi phí khá cao. Vấn đề về mật độ. Mô hình mạng trong VANET là mô mình có những giao tiếp có phạm vi hoạt động ngắn ( ở đây sử dụng chuẩn IEEE 802.11 ) giữa các xe với nhau. Do vậy đơn vị cấp phép sẽ cung cấp băng tần ngắn 5,9GHz nhằm tăng cường bằng thông và giảm độ trể cho giao tiếp V2V và V2I. Vấn đề về định tuyến. Việc phân vùng trong hệ thống mạng của VANET đòi hỏi phải có các thực hiện và các chuyển tiếp liên tục, mọi nơi và luôn có những đường truyền đi – đến. Một gói sẽ được thực hiện cho đến khi nó được chuyển tiếp đến một nút gần nhất. Trong quá trình gửi và chuyển tiếp có thể được thực hiện theo thuật toán định tuyến bao gồm : cơ hội nhận tin, quỹ đạo chuyển tiếp và địa lý chuyển tiếp. Ngoài ra những giải pháp lai nhằm hiểu quả trong quá trình phát sóng. Truyền thông tin – thông điệp. Trong hệ thống mạng này sẽ đòi hỏi 1 số lượng lớn thông tin sẽ được phát sóng, do đó chúng ta sẽ tìm hiểu một vào cơ chế phát sóng , truyền thông tin . Trao đổi dữ liệu trong mô hình V2V có thể được mô tả như sau : Mỗi khi một chiếc xe nhận được một thông tin , thông điệp ngay lập tức nó sẽ lưu lại và tiếp tục được tái phát đi thông tin đó điều nãy rất hữu ích cho việc chậm trễ và nhạy cảm của hệ thống. Cơ chế này không rõ ràng vì sẽ tạo về sự dư thừa thông tin trong mạng gây nhiễu thông tin đặc biệt là trong tình trạng mật độ giao thông cao. Ngoài ra Một chiếc xe cũng có thể lấy thông tin từ RUS, tuy nhiên nếu vượt quá tầm giới hạn của RSU chiếc xe đó sẽ không nhận được thông điệp từ RSU trên. Ở hình trên ta thấy rằng V1 và V2 có thể nhận tin từ RSU tuy nhiên V3 sẽ không nhận được thông tin từ RSU, Những thông tin từ RSU V3 chỉ nhận được thông qua V2 sau khi V2 đã nhận được thông tin từ RSU và thực hiện truyền tin đi. An toàn hệ thống trong mạng VANET Phát sóng trong mạng: Phát sóng được định nghĩa là một thiết bị trao đổi thông tin giữa một thiết bị và tất cả. Một nút di động gửi một thông điệp và tất cả các nút khác trong mạng cần phải nhận được (miễn là chúng được kết nối). Nó có trách nhiệm chia sẻ những tin và tải lên mạng tức những điều cần thiết. Cách thức phát sóng cơ bản nhất đó là một nút nguồn truyền thông điệp đến tất cả các thiết bị cạnh đó, và sau đó mỗi nút tiếp nhận nó lại truyền nó đến cho những thiết bị cạnh đó…. Giả sử một lớp MAC lý tưởng, giao thức này có nghĩa là, mỗi phần tử trong mạng sẽ nhận được ít nhất một lần thông báo. Tuy nhiên, vì đơn giản của nó, giao thức này dẫn đến rất nhiều các gói dữ liệu trùng lặp và ùn tắc toàn bộ mạng. Đặc biệt là trong một mạng lưới rất dày đặc, như trong kịch bản thành phố xe hơi, thiết lập này dẫn đến lãng phí băng thông rất lớn. Một giao thức thông minh hơn, được đặt tên là (NES). nguyên tắc của nó là như sau. Mỗi phần tử nhận được tin nhắn đó lần đầu tiên thì không truyền lại nó ngay lập tức, nhưng chờ đợi cho một thời hạn nhất định, mà có thể được tính hoặc ngẫu nhiên tạo ra. Trong khi chờ đợi, nó sẽ nhận thông tin từ các thiết bị ở cạnh mình và sau mỗi lần nhận được bản sao của tin nhắn phát sóng, nó loại bỏ khỏi danh sách các thiết bị ở gần đã phát tán . Nếu danh sách này trở nên trống rỗng trước khi thiết bị quyết định chuyển tiếp tin nhắn, thì lệnh chuyển tiếp tin nhắn được hủy bỏ. giao thức này cho phép tiết kiệm băng thông bằng cách hủy bỏ lượng phát thải dư thừa, trong khi vẫn đảm bảo thông tin cho toàn bộ mạng. Nhược điểm đó là mỗi thiết bị cần biết các thiết bị cạnh nó. Một loại giao thức dựa trên việc quản lý tại một điểm. Một tập là một thiết lập với nhau nếu mỗi nút của mạng hoặc là ở S hoặc một nút hàng xóm của S. Bước phát sóng, trong phiên bản đơn giản của nó, có thể được mô tả như sau. Khi một nút nhận được một tin nhắn phát sóng lần đầu tiên, nếu nó không được coi là tin nhắn của thiết bị kết nối trong cùng một mạng thì nó bỏ tin nhắn. Một nút nếu quan sát thấy tất cả các nút hàng xóm đã nhận được thông báo tương tự, cũng có thể bỏ các gói tin mà không cần chuyển tiếp nó. Nhưng cách làm này đòi hỏi nhiều băng thông vì phải tín toán liên tục. Một cải tiến hơn nữa gọi là phát sóng geoflood. Các thuật toán geoflood giả định rằng mỗi nút phải phân biệt vị trí riêng của mình, nhưng nó không yêu cầu mỗi nút phải biết vị trí của các nút hàng xóm. Đây là một khác biệt quan trọng, các nút có thể dễ dàng có được vị trí của họ thông qua đã phổ biến các thiết bị GPS. Một phần quan trọng của thuật toán là việc lựa chọn thời gian tổ chức các gói tin. Đối với xe ô tô, các thuật toán geoflood có một bất lợi lớn. Một chiếc xe trên một tuyến đường thẳng sẽ gần như không bao giờ có thể nhận được một gói tin từ tất cả cho nhóm L(NE, NW, SE và SW). Nếu giảm thiểu một trục sẽ dẫn đến vấn đề nghiêm trọng tại giao cắt. Vì vậy, phát triển cơ chế phát thanh truyền hình riêng cho tuyến đường, tránh yêu cầu không cần thiết là một điều hợp lý. Các Secure Ring Broadcasting (SRB) là chuyên ngành phát thanh truyền hình yêu cầu tuyến đường. Mục tiêu chính của nó không phải là chỉ để giảm thiểu các tin nhắn phát sóng mà còn để có được các tuyến đường ổn định hơn. An toàn nút trong mạng Như đã đề cập, một nút gọi là an toàn trong phạm vi tốt cho các nút trung gian thì đó sẽ là một điểm tốt để tái phát sóng theo yêu cầu. Đó là lý do tại sao thời gian giữ được rất ngắn. Hành vi của một nút bên ngoài là phức tạp nhất của cả ba nút nhóm. Bởi vì sau khi nhận được phát sóng lần đầu tiên nó phải nghe những phát tán lại của các nút trong mạng và cũng là phát tán lại từ nút tiếp theo. Mục tiêu chính của an toàn hệ thống mạng là giảm phát sóng các tin nhắn thừa để có được các tuyến đường ổn định hơn. Mã xác nhận dưới sự can thiệp ngẫu nhiên Trong thế giới thực, tín hiệu tuyên truyền thường chịu ảnh hưởng của yếu tố không kiểm soát ngẫu nhiên như là ví dụ như xe khác hoặc thời tiết. Tỷ lệ thành công các gói dữ liệu gửi cho SRB giảm hơi lên đến 20%. Đối với tiêu chuẩn AODV giảm hơn nhiều, ấn tượng với tối đa là 100%. Đối với cả hai, SRB và tiêu chuẩn AODV, sự chậm trễ tăng một chút nhưng không đáng kể vì những thông tin liên lạc trong khoảng ngắn. Tóm tắt Ring Broadcasting (SRB) đã hoàn thành được sự mong đợi. Một trong những mục tiêu chính của SRB là xây dựng tuyến đường ổn định hơn. Nhìn vào các kết quả cho tỷ lệ thành công của các gói dữ liệu chuyển giao, một cải tiến rõ ràng bằng cách sử dụng SRB là một phương pháp đúng. Nó làm giảm đáng kể số lượng tin nhắn phát sóng và thiết lập các tuyến ổn định hơn. SRB với tọa độ (SRB-C) nhanh hơn so với người tiền nhiệm SRB (SRB-P) ở hầu hết các tình huống rõ ràng là kết quả của sự sẵn có và thông tin chi tiết hơn. SRB có một số lượng lớn các thông số: những sự chậm trễ khác nhau, các ngưỡng và phạm vi truyền dẫn. Một nghiên cứu chi tiết về tác động của chúng vẫn phải được thực hiện trong một dự án trong tương lai. Ngăn chặn tấn công trên mạng Hệ thống VANET là một hệ thống rất có ích. Tuy nhiên, do giao tiếp mà không cần cơ sở hạ tầng, lại dùng biến đổi định tuyến qua nhiều tầng nên rất nhiều khả năng bị 'nghe trộm' hoặc là thông tin truyền đi có thể bị sai lệch. Trong mạng, việc truyền tin tức giao thông giữa các xe với nhau là rất quan trọng, điều đó có thể có tác dụng tốt (nếu như thông tin được truyền đi phản ánh đúng tình hình giao thông hoặc các sự cố trên giao lộ) nhưng cũng có thể gây ra những tác động nguy hiểm khôn lường(nếu như thông tin do 1 xe truyền đi là không chính xác hoặc là bị sai lệch). Sở dĩ như vậy vì khi thiết kế mạng này, thường thì các thông tin sẽ được phát quảng bá và được trung chuyển qua nhiều nút => gây ra ảnh hưởng kiểu như 'phản ứng dây truyền'. Ngoài việc truyền tin tức. Hệ thống mạng còn phải đối phó với những cuộc tấn công từ bên ngoài vào. Những kẻ tấn công có thể giả mạo tin nhắn và thông tin sai lệch gây nhiễu hệ thống và phá hỏng hệ thống. Ngoài ra bọn chúng còn có thể lợi dụng các tin tức thu được từ hệ thống về thông tin của các loại xe khác và vị trí của nó. Và giả mạo thông tin của các xe khác. Đồng thời chúng cũng có thể gian lận với bộ cảm biến làm sai lệch vị trí của họ, tốc độ và hướng di chuyển…. Do tín hiệu GPS biến mất trong hầm, một kẻ tấn công có thể khai thác này tạm thời bị mất thông tin định vị để bơm dữ liệu sai lầm khi xe ra các đường hầm và trước khi nó nhận được một bản cập nhật vị trí xác thực Để đảm bảo an toàn thì hệ thống cần phải xác thực người gửi thông tin. Thông tin gửi phải đảm bảo chính xác Bảo mật thông tin Quản lý và thu hồi thiết bị khi phát hiện kẻ tấn công hoặc trục trặc thiết bị Dấu thông tin cá nhân để ngăn chặn theo dõi . Nhận dạng và vị trí riêng tưTất cả các định danh của chiếc xe Kết luận Trên đây chúng tôi đã phân tích các vấn đề cho phép liên lạc giữa phương tiện. Với việc sử dụng VANET hứa hẹn sẽ giúp ngành công nghiệp chế tạo ô tô tạo ra những chiếc xe thông minh không cần người lái trong tương lai. Giảm thiểu tình trạng ách tắc kẹt xe tại các trung tâm lớn và những nguy cơ tai nạn ở những tuyến đường nguy hiểm. Thay vì di chuyển một cách ngẫu nhiên, xe có xu hướng di chuyển một cách có tổ chức. Và hầu hết các xe được giới hạn trong phạm vi chuyển động của họ. Ngoài ra những chiếc ô tô còn có thể được sử dụng để theo dõi môi trường và những hiểm họa bất ngờ trong thiên nhiên với những thông tin mà những chiếc ô tô này đem lại Dịch vụ trên mô hình mạng này ngày càng nhiều và đang có xu hướng phát triển, nhất là nó liên quan đến hệ thống định vị GPS, liên quan đến ngành giao thông để quản lý và điều hành giao thông, liên quan đến lĩnh vực cảnh sát giao thông, liên quan đến ngành dự báo thời tiết,...