本發(fā)明涉及智能交通領(lǐng)域中的路徑識別系統(tǒng)，特別涉及一種應(yīng)用于路徑識別系統(tǒng)的桌面單元及安全方法。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，高速公路的建設(shè)逐漸趨向智能化，ETC電子收費(fèi)技術(shù)就是智能交通應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)典型代表。由于我國高速公路系統(tǒng)的復(fù)雜性，一些省份往往采用國家建設(shè)與私人投資相結(jié)合，收益按比例分配的運(yùn)營方式。隨著高速公路的不斷建設(shè)，路網(wǎng)變得越來越復(fù)雜，從一個(gè)入口到一個(gè)出口，往往存在很多不同的路徑，而這些不同的路徑可能屬于不同的投資者擁有。早期的收費(fèi)系統(tǒng)無法判斷車輛經(jīng)過的路徑，因此利益無法在各個(gè)投資者之間公平結(jié)算，而且路網(wǎng)越復(fù)雜，問題越嚴(yán)重。

針對上述存在的問題，路經(jīng)識別系統(tǒng)應(yīng)勢而生，其主要特點(diǎn)就是在現(xiàn)有收費(fèi)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上解決了車輛所經(jīng)過路徑的標(biāo)記問題，從而實(shí)現(xiàn)利益的公平劃分。路徑識別系統(tǒng)主要由三部分組成：車載單元（電子標(biāo)簽）、路側(cè)單元（路側(cè)標(biāo)識站）、桌面單元（車道讀卡器與業(yè)務(wù)子系統(tǒng)）等。該系統(tǒng)的主要工作流程是：在高速公路入口，桌面單元向車載單元寫入口信息；在高速公路上，車載單元接收路側(cè)單元廣播的路經(jīng)標(biāo)識（代表路網(wǎng)中的一條高速公路，具有唯一性）并存儲；在高速公路出口，桌面單元將路徑標(biāo)識從車載單元中讀出并處理。路側(cè)單元與車載單元、桌面單元與車載單元之間采用433MHz頻段的無線通信方式。

在上述流程中，安全性是一個(gè)非常重要的問題。若車載單元存儲的路徑標(biāo)識不真實(shí)，就會對投資者的利益造成損失。其中，與桌面單元相關(guān)的不安全因素包括：無法識別非法的車載單元、無法識別車載單元中非法的路徑標(biāo)識、無法識別車載單元中合法但無效的路徑標(biāo)識。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對桌面單元一側(cè)可能出現(xiàn)的安全性問題，提出了一種具備安全認(rèn)證、路徑標(biāo)識合法性及有效性判斷等功能的桌面單元。該桌面單元通過車道讀卡器中配備的PSAM安全認(rèn)證模塊，以及一系列與系統(tǒng)中其它設(shè)備之間的交互規(guī)則，可以實(shí)現(xiàn)車載單元的合法性認(rèn)證以及車載單元中路徑標(biāo)識的合法性、有效性判斷。將本發(fā)明提出的桌面單元應(yīng)用于路徑識別系統(tǒng)，可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

本發(fā)明是通過這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種應(yīng)用于路徑識別系統(tǒng)的桌面單元，其中路徑識別系統(tǒng)包括由電子標(biāo)簽構(gòu)成的車載單元、由路側(cè)標(biāo)識站構(gòu)成的路側(cè)單元、由車道讀卡器與業(yè)務(wù)子系統(tǒng)構(gòu)成的桌面單元，其特征在于，所述的車道讀卡器包括Cortex-A7微處理器模塊、PSAM安全認(rèn)證模塊、存儲單元、CC1101射頻模塊及天線；PSAM安全認(rèn)證模塊通過7816總線接口與Cortex-A7微處理器模塊連接，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的加解密；存儲單元通過SDIO口與Cortex-A7微處理器模塊連接；CC1101射頻模塊通過UART1接口與Cortex-A7微處理器模塊連接，并通過天線與系統(tǒng)其它設(shè)備進(jìn)行交互；所述的業(yè)務(wù)子系統(tǒng)包括通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和安全處理模塊；通信模塊通過RS232接口與車道讀卡器的Cortex-A7微處理器模塊連接負(fù)責(zé)信息交互；數(shù)據(jù)庫模塊與安全處理模塊連接，用于存儲路網(wǎng)上所有的公路的路徑標(biāo)識以及相應(yīng)的坐標(biāo)擬合路徑信息；安全處理模塊與通信模塊連接，負(fù)責(zé)完成車載單元安全認(rèn)證、路徑標(biāo)識合法性與有效性判斷邏輯處理。

本發(fā)明所述的一種采用應(yīng)用于路徑識別系統(tǒng)的桌面單元的安全方法，其特征在于，在路徑識別系統(tǒng)運(yùn)行前，首先對車載單元、路側(cè)單元、桌面單元使用的PSAM安全認(rèn)證模塊中的密鑰進(jìn)行初始化，使三者加解密使用的密鑰相同；然后分別對車載單元合法性、路徑標(biāo)識合法性以及路徑標(biāo)識有效性進(jìn)行判斷，其判斷步驟如下：

一.對車載單元合法性進(jìn)行判斷

（1）.在高速公路入口，桌面單元向車載單元發(fā)送讀ID命令，獲取4字節(jié)的ID；

（2）.車載單元通過PSAM安全認(rèn)證模塊獲取4字節(jié)的隨機(jī)數(shù)RAND，并使用加密密鑰對ID+RAND進(jìn)行3DES加密運(yùn)算，得到應(yīng)答結(jié)果ANS，截取ANS的前4個(gè)字節(jié)，得到MAC，將RAND+MAC發(fā)送給車載單元；

（3）.車載單元接收到RAND+MAC后，作為認(rèn)證信息保存在自身的FLASH上；

（4）.在高速公路出口，桌面單元讀取車載單元的ID，并將保存在車載單元FLASH中的認(rèn)證信息RAND+MAC取出；

（5）.從認(rèn)證信息中分離出RAND，使用PSAM安全認(rèn)證模塊的加密密鑰對ID+RAND進(jìn)行3DES加密運(yùn)算，得到結(jié)果ANS1，截取ANS1的前4個(gè)字節(jié)，記為MAC1；

（6）.從認(rèn)證信息中分離出MAC，與上一步得到的MAC1進(jìn)行比較；

（7）.如果MAC等于MAC1，則認(rèn)證成功，即車載單元的電子標(biāo)簽為合法，否則為不合法；

二.對路徑標(biāo)識合法性進(jìn)行判斷

（1）. 在高速公路入口，桌面單元向車載單元寫入口信息，車載單元隨車輛進(jìn)入高速；

（2）.路側(cè)單元廣播加密后的帶有時(shí)間戳的路徑標(biāo)識，其中路徑標(biāo)識記為PA，時(shí)間戳記為T，用加密密鑰對PA+T進(jìn)行3DES加密運(yùn)算，得到結(jié)果PAT；

（3）.車載單元接收到路側(cè)單元廣播的路徑信息PAT，同時(shí)自身生成當(dāng)前時(shí)間信息T1，將這些信息存儲在FLASH中；

（4）.在高速公路出口，桌面單元讀取車載單元中存儲的路徑信息PAT，同時(shí)讀取車載單元自身的時(shí)間信息T1；

（5）.桌面單元使用PSAM安全認(rèn)證模塊的加密密鑰對路徑信息PAT

進(jìn)行3DES加密運(yùn)算，并從結(jié)果中分離得到路徑標(biāo)識PA以及時(shí)間戳T；

（6）.判斷路徑標(biāo)識PA的合法性：從數(shù)據(jù)庫中查詢路徑標(biāo)識PA，若

不存在則路徑標(biāo)識PA不合法，若存在繼續(xù)判斷其時(shí)間的合法性；將時(shí)間戳記T和時(shí)間信息T1進(jìn)行對比，若|T-T1|<△t，則認(rèn)為路徑標(biāo)識PA合法，否則為不合法；其中△t由路徑信息廣播到接收的時(shí)延以及車載單元的處理時(shí)延估算獲得；

三.對路徑標(biāo)識有效性進(jìn)行判斷

（1）.在高速公路入口，桌面單元向車載單元寫入口信息，車載單元隨車輛進(jìn)入高速；

（2）.路側(cè)單元廣播路徑信息PAT；

（3）.車載單元接收路徑信息PAT，同時(shí)自身生成當(dāng)前行駛路徑的幾個(gè)連續(xù)的坐標(biāo)信息X1、X2、…，將這些信息存儲在FLASH中；

（4）.在高速公路出口，桌面單元讀取車載單元中存儲的路徑信息

PAT，并解密得到路徑標(biāo)識PA，同時(shí)讀取坐標(biāo)信息X1、X2、…；

（5）.判斷路徑標(biāo)識PA的有效性：將坐標(biāo)信息X1、X2、…進(jìn)行擬

合，得到擬合路徑X，從數(shù)據(jù)庫中讀出路徑標(biāo)識PA對應(yīng)的擬合路徑為Y，將兩個(gè)擬合路徑X和Y進(jìn)行對比，若為同一路徑，則認(rèn)為該路徑標(biāo)識PA有效，否則為無效。

本發(fā)明的有益效果是：由于桌面單元中的車道讀卡器配備了PSAM安全認(rèn)證模塊，業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫存儲了合法的路徑標(biāo)識信息、坐標(biāo)擬合信息等，通過一系列的與系統(tǒng)中其它設(shè)備之間的安全交互規(guī)則，提高了系統(tǒng)的安全性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所屬路徑識別系統(tǒng)示意圖；

圖2是本發(fā)明的桌面單元與系統(tǒng)中其它設(shè)備的關(guān)系圖；

圖3是本發(fā)明所屬系統(tǒng)中的桌面單元內(nèi)部組成圖；

圖4是本發(fā)明所屬系統(tǒng)中的路側(cè)單元硬件架構(gòu)圖；

圖5是本發(fā)明所屬系統(tǒng)中車載單元硬件架構(gòu)圖；

圖6是本發(fā)明的車載單元合法性判斷流程圖；

圖7是本發(fā)明的路徑標(biāo)識合法性判斷流程圖；

圖8是本發(fā)明的路徑標(biāo)識有效性判斷流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

本發(fā)明提出的桌面單元的組成及連接方式如圖3所示，路徑識別系統(tǒng)包括由電子標(biāo)簽構(gòu)成的車載單元、由路側(cè)標(biāo)識站構(gòu)成的路側(cè)單元、由車道讀卡器與業(yè)務(wù)子系統(tǒng)構(gòu)成的桌面單元，車道讀卡器包括Cortex-A7微處理器模塊、PSAM安全認(rèn)證模塊、存儲單元、CC1101射頻模塊及天線；PSAM安全認(rèn)證模塊通過7816總線接口與Cortex-A7微處理器模塊連接，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的加解密；存儲單元通過SDIO口與Cortex-A7微處理器模塊連接；CC1101射頻模塊通過UART1接口與Cortex-A7微處理器模塊連接，并通過天線與系統(tǒng)其它設(shè)備進(jìn)行交互；業(yè)務(wù)子系統(tǒng)硬件上采用成熟的計(jì)算機(jī)架構(gòu)，功能上業(yè)務(wù)子系統(tǒng)包括通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和安全處理模塊；通信模塊通過RS232接口與車道讀卡器的Cortex-A7微處理器模塊連接負(fù)責(zé)信息交互；數(shù)據(jù)庫模塊與安全處理模塊連接，用于存儲路網(wǎng)上所有的公路的路徑標(biāo)識以及相應(yīng)的坐標(biāo)擬合路徑信息；安全處理模塊與通信模塊連接，負(fù)責(zé)完成車載單元安全認(rèn)證、路徑標(biāo)識合法性與有效性判斷邏輯處理。

參照圖1至圖8，本發(fā)明的主要工作原理是：在高速公路入口，桌面單元通過PSAM安全認(rèn)證模塊生成認(rèn)證信息，并寫入車載單元的FLASH中。車載單元隨車輛進(jìn)入高速公路，接收路側(cè)單元廣播的加密后的帶有時(shí)間戳信息的路徑標(biāo)識。同時(shí)，車載單元自身也會生成時(shí)間、坐標(biāo)信息。車載單元將路徑標(biāo)識、時(shí)間坐標(biāo)信息寫入FLASH中存儲。在高速公路出口，桌面單元讀取車載單元中的認(rèn)證信息、路徑標(biāo)識信息、時(shí)間坐標(biāo)信息。通過PSAM安全認(rèn)證模塊對認(rèn)證信息進(jìn)行處理，完成車載單元的合法性判斷。通過PSAM安全認(rèn)證模塊解密路徑標(biāo)識信息并查詢數(shù)據(jù)庫中存儲的路徑標(biāo)識，然后對比相關(guān)的時(shí)間信息，完成車載單元中路徑標(biāo)識的合法性判斷。通過對坐標(biāo)信息的擬合處理，完成路徑標(biāo)識的有效性判斷。

本發(fā)明提出的桌面單元中的車道讀卡器配備了PSAM安全認(rèn)證模塊，業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫存儲了合法的路徑標(biāo)識信息、坐標(biāo)擬合信息等，通過一系列的與系統(tǒng)中其它設(shè)備之間的安全交互規(guī)則，提高系統(tǒng)的安全性。通過PSAM安全認(rèn)證模塊實(shí)現(xiàn)了車載單元的合法性判斷。通過PSAM安全認(rèn)證模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、安全處理模塊實(shí)現(xiàn)了車載單元中路徑標(biāo)識的合法性判斷。通過數(shù)據(jù)庫模塊、安全處理模塊實(shí)現(xiàn)了車載單元中路徑標(biāo)識的有效性判斷。

在路徑識別系統(tǒng)運(yùn)行前，首先對車載單元、路側(cè)單元、桌面單元使用的PSAM安全認(rèn)證模塊中的密鑰進(jìn)行初始化，使三者加解密使用的密鑰相同；然后分別對車載單元合法性、路徑標(biāo)識合法性以及路徑標(biāo)識有效性進(jìn)行判斷，其判斷步驟如下：

一.對車載單元合法性進(jìn)行判斷（如圖6所示）

（1）.在高速公路入口，桌面單元向車載單元發(fā)送讀ID命令，獲取4字節(jié)的ID；

（2）.車載單元通過PSAM安全認(rèn)證模塊獲取4字節(jié)的隨機(jī)數(shù)RAND，并使用加密密鑰對ID+RAND進(jìn)行3DES加密運(yùn)算，得到應(yīng)答結(jié)果ANS，截取ANS的前4個(gè)字節(jié)，得到MAC（消息鑒別碼），將RAND+MAC發(fā)送給車載單元；

（3）.車載單元接收到RAND+MAC后，作為認(rèn)證信息保存在自身的FLASH上；

（4）.在高速公路出口，桌面單元讀取車載單元的ID，并將保存在車載單元FLASH中的認(rèn)證信息RAND+MAC取出；

（5）.從認(rèn)證信息中分離出RAND，使用PSAM安全認(rèn)證模塊的加密密鑰對ID+RAND進(jìn)行3DES（數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)）加密運(yùn)算，得到結(jié)果ANS1，截取ANS1的前4個(gè)字節(jié)，記為MAC1；

（6）.從認(rèn)證信息中分離出MAC，與上一步得到的MAC1進(jìn)行比較；

（7）.如果MAC等于MAC1，則認(rèn)證成功，即車載單元的電子標(biāo)簽為合法，否則為不合法。

經(jīng)過上述流程，每個(gè)車載單元每次入口后都會具有不同的加密標(biāo)記（認(rèn)證信息），而偽造的或者沒有經(jīng)過合法入口的車載單元在出口無法解密獲得匹配的結(jié)果，從而可以判斷車載單元的合法性。

二.對路徑標(biāo)識合法性進(jìn)行判斷（如圖7所示）

（1）. 在高速公路入口，桌面單元向車載單元寫入口信息，車載單元隨車輛進(jìn)入高速；

（2）.路側(cè)單元廣播加密后的帶有時(shí)間戳的路徑標(biāo)識，其中路徑標(biāo)識記為PA，時(shí)間戳記為T，用加密密鑰對PA+T進(jìn)行3DES加密運(yùn)算，得到結(jié)果PAT；

（3）.車載單元接收到路側(cè)單元廣播的路徑信息PAT，同時(shí)自身生成當(dāng)前時(shí)間信息T1，將這些信息存儲在FLASH中；

（4）.在高速公路出口，桌面單元讀取車載單元中存儲的路徑信息PAT，同時(shí)讀取車載單元自身的時(shí)間信息T1；

（5）.桌面單元使用PSAM安全認(rèn)證模塊的加密密鑰對路徑信息PAT進(jìn)行3DES加密運(yùn)算，并從結(jié)果中分離得到路徑標(biāo)識PA以及時(shí)間戳T；

（6）.判斷路徑標(biāo)識PA的合法性：從數(shù)據(jù)庫中查詢路徑標(biāo)識PA，若不存在則路徑標(biāo)識PA不合法，若存在繼續(xù)判斷其時(shí)間的合法性；將時(shí)間戳記T和時(shí)間信息T1進(jìn)行對比，若|T-T1|<△t，則認(rèn)為路徑標(biāo)識PA合法，否則為不合法；其中△t由路徑信息廣播到接收的時(shí)延以及車載單元的處理時(shí)延估算獲得。

上述流程中，通過PSAM安全認(rèn)證模塊完成的路徑標(biāo)識的加解密機(jī)制，使得未配備合法PSAM安全認(rèn)證模塊的路側(cè)單元廣播的路徑信息在出口不能被正確解密。但由于路徑信息的廣播采用的是單向通信，因此在無線電波傳輸過程中可能被監(jiān)聽，攻擊者在截獲路側(cè)單元廣播的路徑信息后，可以在其他路徑上發(fā)射相同的路徑信息，實(shí)施重放攻擊，從而導(dǎo)致車載單元接收的路徑信息不真實(shí)。通過在出口對路徑信息進(jìn)行時(shí)間信息的驗(yàn)證，能夠大大增加重放攻擊的難度，從而有效地提高了路徑信息的可靠性。

三.對路徑標(biāo)識有效性進(jìn)行判斷（如圖8所示）

（1）.在高速公路入口，桌面單元向車載單元寫入口信息，車載單元隨車輛進(jìn)入高速；

（2）.路側(cè)單元廣播路徑信息PAT；

（3）.車載單元接收路徑信息PAT，同時(shí)自身生成當(dāng)前行駛路徑的幾個(gè)連續(xù)的坐標(biāo)信息X1、X2、…，將這些信息存儲在FLASH中；

（4）.在高速公路出口，桌面單元讀取車載單元中存儲的路徑信息

PAT，并解密得到路徑標(biāo)識PA，同時(shí)讀取坐標(biāo)信息X1、X2、…；

（5）.判斷路徑標(biāo)識PA的有效性：將坐標(biāo)信息X1、X2、…進(jìn)行擬合，得到擬合路徑X，從數(shù)據(jù)庫中讀出路徑標(biāo)識PA對應(yīng)的擬合路徑為Y，將兩個(gè)擬合路徑X和Y進(jìn)行對比，若為同一路徑，則認(rèn)為該路徑標(biāo)識PA有效，否則為無效。

若車輛行駛到某個(gè)區(qū)域，同時(shí)被多于一個(gè)的合法路側(cè)單元的廣播信號覆蓋，則會造成鄰道干擾。這種情況屬于非惡意干擾，主要是因?yàn)閮蓷l路徑交叉或距離較近，路側(cè)單元選址欠佳造成的。干擾的路徑標(biāo)識對應(yīng)的擬合路徑與真實(shí)路徑差異較大，通過上述流程可以很容易地將其排除。