基于启发式任务分配算法在车载控制网络中的应用

黄欣 万荣泽 刘桂英

(1.广西农业职业技术学院 网络信息中心, 广西 南宁 530007;2.广西师范学院 职业技术教育学院, 广西 南宁 530001)



基于启发式任务分配算法在车载控制网络中的应用

黄欣1万荣泽1刘桂英2

(1.广西农业职业技术学院 网络信息中心, 广西 南宁 530007;2.广西师范学院 职业技术教育学院, 广西 南宁 530001)

在车载控制网络中，ECUs可以收集实时的交通信息，如交通拥堵信息和来自相邻车辆的碰撞警告等。然而，在收集信息过程中，在车载控制网络中ECUs会受到一系列的网络攻击，若车载控制网络出现故障，会威胁到司机的安全。为了提高车载控制网络的安全性，在此提出一种启发式任务分配方法，该方法把任务漏洞的不同概率作为一个新的目标功能，其中一个函数在ECUs中包含逻辑上的相互关联任务。仿真结果表明，与传统的随机任务分配方法相比，所提出的方法能够降低车载控制网络整体故障发生的概率。

电子控制单元；任务漏洞；车载控制网络；任务分配；任务切换

0 引言

目前汽车大都含有50至70个嵌入式电子控制单元(ECUs)，以使汽车具有较好的自动安全性和舒适性，如防抱死制动系统(ABS)和自适应巡航控制系统(ACC)[1]。为了提高驾乘人员的安全性和舒适性，ECUs在车辆行驶时从大量的传感器中收集信息。例如，当节气门位置传感器收集控制信息后，变速器控制单元(TCU)决定如何以及何时改变齿轮。

在车载控制网络中，ECUs不仅可以收集实时的交通信息，例如交通拥堵信息和来自相邻车辆的碰撞警告，而且可以通过多种通信协议来传递控制信息，主要由控制器局域网络(CAN)和局域互联网络(LIN)组成[2]。这些协议能够有效满足驾驶员对安全性、舒适性和成本的要求。然而，在传递信息的过程中，ECUs容易受到网络攻击。由于交换信息通过共享总线接口传输到分布式的ECUs。当一个ECUs被攻击时，受到破坏的代码会影响其他的ECUs，从而导致整个车载控制网络的性能会下降，以及驾驶人员的安全也会受到威胁。

最近的研究表明当有一个ECUs受到攻击时，在相同共享总线上的其他ECUs也会受到影响[3]。车载控制网络(VCN)是由大量的ECUs组成，根据这些ECUs的功能分配到共享总线接口。功能模块的网络设计用来保障车辆行驶的安全性和舒适性。每个功能模块被划分为任务，然后在ECUs上进行操作。文献[4]通过理论和仿真结果表明当破解ECUs后，许多与安全相关的功能是可以控制的。文献[5]表明当只有一个ECUs受到外界的影响时，在相同的共享总线上的其他ECUs也会受到影响，造成VCN的性能下降。本文提出了一种启发式任务分配的算法。该方法能够保障功能模块在受到攻击时VCN可以正常运行。通过功能模块的连接，所提出的方法在分离的总线上分配任务，从而降低了受到攻击的功能模块对其他功能模块的影响。因此，该算法提高了车载控制网络的性能。

1 VCN中的漏洞

最近的研究表明攻击者可以通过简单的通信方式来控制车辆[6]。首先，攻击者必须访问安装在受害者车辆上带有I/O的电子控制单元，例如蓝牙、OBD-II接口、蜂窝电话、无线局域网或远程信息处理单元[7]。为了提高VCN的性能，所提出的方法最大限度地减少系统漏洞利用的可能性。任务必须分开分配，以免受到攻击任务的影响。

VCN安全的目的是保证驾驶员在行驶过程中能够正常的操作，如车辆的设计功能模块。每个功能模块由几个任务组成[8]。因此，为了减少攻击者的威胁，通过提供安全的任务进行正常的功能操作。换句话说，通过减少利用漏洞任务的加权概率可以达到正常操作，提高整个网络的性能[9]。因此，我们定义漏洞利用问题的表达式为

(1)

其中若Tj分配到Qj时，xij=1，否则xij=0；νjaij是任务漏洞的加权概率；νj是Tj的漏洞的权重；Q是总线的集合；T是任务的集合。

系数aij是Tj通过Qj传递信息时的任务漏洞的概率。aij的公式为

(2)

在车载控制网络中，漏洞问题作为传统的非线性分配问题，其中包括了两个集合(Q,T)。aij的目标函数取决于乘积项[10]。因此，采用非线性分配问题的解决方案是可行的。本文提出的启发式分配方法可以解决漏洞的攻击，提高了VCN的性能。

一个任务至少属于一个功能模块。因此，功能模块对其他的任务有排斥性，其表达式为

Pm∩Pm′=Ø

(3)

根据功能的重要性，每个任务的最大允许概率为

(4)

其中aj是信息漏洞的最大允许概率。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

其中lp(j)是Tj传输时相同总线上较低优先级的消息集。

2 任务分配算法

前面理论分析了任务漏洞以及其加权概率。为了提高VCN的传递信息的效率，本文提出的方法应减少任务漏洞的加权概率。[x]G是高斯符号，其小于或者等于x。χ是当VCN的任何两个总线之间任务发生时任务漏洞减少的概率。同时，σ是指定的两个总线间任务发生的减少量。在该算法中，任务被临时分配到总线，即分配到从第3行到第7行。然而，这种分配方法不能保证目标函数的优越性。因此，任务在总线之间进行交换，然后第15行和第16行减少任务漏洞的概率。

算法1：任务分配算法

1： Input：Q,T,xij←0(∀i∈Q,∀j∈T)

2： i←1,j←1

3： for i to│Q│do

5： xij←1,j←j+1

6： end while

7： end for

8： x←true

9： while x do

10： x←false，i←│Q│

11： while i>1do

12： σ←ture

13： while σ do

14： σ←false

17： σ←σ or TSA(i,Tj1,Tj2,xxj)

18： x←x or σ

19： end while

20： i←i-1

21： end while

22： end while

通过采用两个选定的任务，任务切换算法(TSA)是计算任务漏洞的加权概率的减少量。在该算法中有三种情况进行任务交换。例如两个任务(T1，T2)各自分配到总线Q1与Q2。第一种情况是T1移到Q2(第3行)；第二种情况是T2移到Q1(第4行)；第三种情况是T1和T2在Q1与Q2之间交换信息(第5行)。第7行到第10行是计算任务漏洞的衰减概率(VRn)。因此，当任务漏洞的加权概率饱和时，所提出的启发式任务分配方法可以得到结果，减少了攻击者对车载控制网络的影响，提高了整个网络的性能。

算法2：任务切换算法

1： Input：i，Tj1，Tj2，xij

6： n=1

7： for n to do

9：n←n+1

10：end for

11：n←arg max(VRn)

12： if VRn>0then

14： return true

15： else

16： return false

17： end if

3 仿真结果

经过前面对任务分配算法和任务切换算法理论分析后，本节将通过MATLAB软件对这两个算法进行验证。文献[12]采用了汽车工程师协会(SAE)提到的C类应用要求，如电池，车辆控制器以及仪表盘显示等。因为任务漏洞的权重是由任务操作的重要性决定的，则其变化的范围为0到1。

图1、图2以及图3表明了所提出算法的任务漏洞权重概率。

图1 总线个数为3的权重概率

图2 总线个数为4的权重概率

图3 总线个数为5的权重概率

图4 网络丢包率仿真图

其中Y轴分别代表了总线数量为3、4和5时任务漏洞的权重概率。X轴代表了总线之间任务分配数。图1、图2、和图3的仿真结果表明了在VCN中所提出的算法减少了任务漏洞的权重概率，分别约为60.5%、56.2%以及38.0%。丢包率仿真结果如图4所示。

通过仿真表明：传统的算法网络丢包率比较高，且随着车辆节点数增加，本文提出的算法能够有效的降低网络的丢包率。因此，与传统随机分配的情况相比，本文提出的算法提高了VCN的安全性。

4 总结

为了提高驾驶员的安全和舒适，ECUs需要与另一个在车载控制网络的ECUs进行通信。为了降低计算复杂度，本文提出了一种新的安全方法来提高整个VCN的性能。通过理论分析VCN中任务漏洞的权重概率并提出了启发式重复分配算法。仿真结果表明该方法可以提高VCN任务漏洞的加权概率且复杂度较小。

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[12]Rezaei, Sengupta. Adaptive communication scheme for cooperative active safety system[J]. NewsBITS, 2010,23(4):10-18

[责任编辑 刘景平]

An Application of Heuristic Task Allocation Algorithm in In-Vehicle Network

HUANG Xin1, WAN Rongze1, LIU Guiying2

(1.Network Information Center, Guangxi Agriculture Vocational and Technical College, Nanning， Guangxi 530007； 2.College of Occupation Technology Education, Guangxi Teachers Education University, Nanning， Guangxi 530004,China)

In the inter-vehicle network, ECUs can collect the real time traffic information such as traffic congestion information and collision warnings from the neighbor vehicles. However, in the process of collecting the information, ECUs in the in-vehicle network are exposed to a number of cyber attacks targeting the automatic safety and comfort functions. If the vehicle controller network fails, the safety of drivers is threatened. This paper proposes a new task allocation methodology which is Heuristic task allocation methodology. The methodology considers the varying probability of task vulnerability as a new objective function, where a function consists of the logically interconnected tasks over the ECUs. The simulations show that the proposed methodology can reduce the probability of the overall malfunction of the in-vehicle network compared to the random task allocation methodology.

ECUs; task vulnerability; vehicle controller network; task allocation; task swap

TP393

A

1672-9021(2016)05-0098-06

黄欣(1983-),男,广西平南人,广西农业职业技术学院网络信息中心讲师,主要研究方向：计算机网络安全;万荣泽(1974-),男,广西陆川人，广西农业职业技术学院网络信息中心教授,主要研究方向：计算机技术及应用;刘桂英(1961-)，女，江西南昌人，广西师范学院职业技术教育学院教授，硕导，主要研究方向：电子技术及数据通信。

广西高校科研基金资助项目(2013YB143)；广西中青年教师基础能力提升基金资助项目(KY2016YB684)。

2016-06-15