Санкт-Петербург

Давыдов В.В. 
Научный руководитель – д.т.н., профессор Беззатеев С.В. 
Работа выполнена в рамках темы НИР № 617026 «Технологии киберфизических систем: 
управление, вычисления, безопасность». 
В современном мире, все больше и больше людей задумываются об использовании новых 
технологий, таких как сенсорные сети или Интернет вещей, в построении интеллектуальной 
дорожной инфраструктуры. Это развитие еще не получило широкого распространения из-за малого 
количества электромобилей, из-за их высокой цены и недоступности для большей части мирового 
населения. Очевидно, что в будущем, когда такая технология не станет новинкой, ее цена постепенно 
упадет, а количество владельцев увеличится, и все это будет сводиться к инфраструктуре, которая 
позволит автомобилям контролировать ситуацию на дорогах и решать часть проблем для того, чтобы 
сделать жизнь человека более удобной. В данной работе проведен анализ существующих методов 
позиционирования, а также описаны защищенные протоколы безопасности при передаче данных от 
автомобиля до базовой станции. 
Ключевые слова: автомобиль, дорожная инфраструктура, информационная безопасность, 
протоколы безопасности, аутентификация по местоположению. 
Проблема позиционирования транспортных средств на дороге стала очень важной в 
связи с развитием и желанием создать «самоуправляемые» автомобили, которые могут 
передвигаться по территории без какого-либо участия человека. В связи с этим одной из 
важнейших задач стоит безопасность использования таких технологий позиционирования. 
Аутентификация по местоположению в таком контексте играет значимую роль. При каких-
либо инцидентах на дороге крайне важно правильно аутентифицировать виновника 
происшествия, узнать местоположение аварии. Прежде чем рассматривать аспекты 
безопасности, кратко опишем уже существующие методы позиционирования. Все методы 
локализации можно условно разделить на две группы: прямые и косвенные подходы [1]. 
Первый подход также известен как абсолютная локализация. Он использует сети 
Wireless Sensor Network (WSN). Каждый датчик оснащен приемником Global Positioning 
System (GPS). Этот метод эффективный, но дорогостоящий и громоздкий. Кроме того, 
экономически нецелесообразно оснащать каждый датчик приемником GPS, поскольку WSN 
развертываются с помощью сотен тысяч датчиков. Вторая проблема заключается в том, что 
GPS работает не везде. К примеру, на закрытых парковках или глубоких туннелях 
определение местоположения с помощью GPS не представляется возможным. 
Второй подход является косвенным или, называя по-другому, относительной 
локализацией. Этот подход был разработан в первую очередь для исправления некоторых 
недостатков системы GPS, например, той же точности определения местоположения в 
труднодоступных местах. 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
9 
Далее кратко опишем каждый из методов позиционирования. 
1. Относительная локализация. Транспортные средства (ТС) условно можно разделить на 
две группы: оборудованные и необорудованные. Оборудованные ТС оснащены GPS-
устройством, позволяющим им отслеживать свою географически-временную траекторию, 
а необорудованные – не имеют устройства GPS. Из-за большого разброса цен на рынке 
автомобилей, а также доходов населения, только часть ТС на дороге будет оснащена GPS-
устройством. Данный метод позволяет необорудованным автомобилям узнавать их 
местоположение. Система работает следующим образом. Косвенный подход [2] реализует 
путь маршрутизации как последовательность подключенных узлов. Назовем каждый 
автомобиль узлом некоего графа. В такой системе только некоторые из узлов имеют 
приемник GPS, а остальные отправляют запросы на эти узлы с целью вычисления или 
получения примерного местоположения. В каждый момент времени в системе существует 
токен – автомобиль, к которому происходит подключение всех близлежащих 
необорудованных ТС. В какой-то момент времени, когда автомашина становится 
недоступна, или не выполняются условия, непосредственно описанные в алгоритме [2], 
такой токен передается другому оборудованному ТС. Подмножество узлов, которые 
имеют приемник, называют маяками, а другие, которые не имеют – общими. Используя 
передаваемый сигнал, содержащий некую информацию, общие узлы вычисляют 
местоположение, используя различные технологии. Этот метод очень полезен для 
труднодоступных мест, например, туннели или подземная парковка. 
2. Локализация, ориентированная на человека. Данный тип подразумевает собой, что 
автомашина будет получать информацию с датчиков и устройств, которые при себе имеет 
человек. Например, одним из таких устройств может являться смартфон или планшет. Как 
только человек садится в автомобиль, его устройства автоматически соединяются с ТС и 
начинают передавать данные о местоположении и других показателях. Важно отметить, 
что, в данном случае автомобиль является инициатором протокола. Взаимодействие 
между человеком и автомобилем имеет свои плюсы и минусы. Говоря о позитивных 
аспектах, можно отметить высокую точность определения местоположения из-за наличия 
в гаджетах GSM-модулей, а также точность обусловлена количеством устройств, которые 
при себе имеет человек. С другой стороны, этот метод сильно зависит от наличия и заряда 
устройств, так как выключенный аппарат не сможет передавать информацию. Более того, 
используя этот метод, большое внимание должно быть уделено безопасности и 
конфиденциальности. 
3. GPS. Сеть GPS – это технология, сеть и сервис, принадлежащие и обслуживаемые США. 
Служба GPS предоставляет конечным пользователям позиционирование, навигацию и 
синхронизацию 
сервисов. 
GPS 
состоит 
из 
космического, 
контрольного 
и 
пользовательского сегментов [3]. Космический сегмент состоит из созвездия 31 спутника 
(по состоянию на 17 октября 2017 года), не считая выведенные из эксплуатации, на орбите 
запасные части. GPS-спутники находятся на средней околоземной орбите на высоте 
приблизительно 20 200 км (12 550 миль). Каждый спутник облетает Землю два раза в день. 
Контрольный сегмент GPS состоит из глобальной сети наземных объектов, целью 
которых является отслеживание спутников, а также мониторинг их связи и передачи 
информации. Со спутниками связь происходит путем отправки команд и данных. 
Пользовательский сегмент состоит из конечных пользователей (гражданских и военных). 
Основным 
принципом 
использования 
всей 
системы 
является 
определение 
местоположения путем измерения времени приема синхронизированного сигнала от 
навигационных спутников антенны [3]. 
4. Локализация, основанная на мощности Wi-Fi сигналов. Данный метод полностью 
избавляет от необходимости оборудования автомобиля GPS или ГЛОНАСС. Работает он 
следующим образом. Существует база данных или карта сетей Wi-Fi. Гаджеты некоторых 
людей оснащены GPS-приемником или GSM. Раз в определенный промежуток времени 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
10 
они подключаются к серверу и передают информацию о сигналах Wi-Fi вокруг, их 
мощностях, а также свое местоположение. Таким образом, данные на сервере сначала 
накапливаются, а потом обновляются в случае каких-либо изменений. Транспортному 
средству необходимо только лишь подключиться к серверу и отправить ему список сетей 
и их мощности, а в ответ они получат свое местоположение. Такой метод имеет ряд 
плюсов и минусов. Из положительных аспектов можно отметить независимость от GPS, 
низкое энергопотребление и повсеместное распространение. Главный минус – 
необходимость круглосуточного обеспечения работоспособности сервера и его защиты, а 
также отсутствие Wi-Fi сетей поблизости не позволит определить местоположение. 
5. Триангуляция. Недавно исследователи предложили ряд методов позиционирования и 
оценки расстояния в [1, 4]. Данные методы основаны на придорожной инфраструктуре. На 
дороге расположены базовые станции (верификаторы), которые оборудованы 
устройствами передачи и получения информации. При передаче информации между ТС и 
базовыми станциями используются дистанционно-ограниченные протоколы, с помощью 
которых происходит подсчет расстояния между верификатором и ТС. Если верификаторы 
могут однозначно вычислить местоположение с использованием границ расстояния, и 
если это местоположение попадает в треугольную пирамиду, образованную между 
станциями, то они делают вывод, что местоположение ТС верно [5]. Эквивалентно только 
три верификатора необходимы для проверки местоположения транспортного средства в 
двух измерениях. 
Передача информации между ТС и базовой станцией является ключевым моментом 
метода, поэтому очень важно обеспечить безопасность такой передачи. На рис. 1 
представлен протокол передачи информации между базовой станцией и транспортным 
средством. 
Рис. 1. Протокол передачи информации между базовой станцией и автомобилем 
Во-первых, между ТС и базовой станцией должен быть разработан общий 
симметричный ключ для безопасного обмена информацией. Алгоритм генерации ключа 
зависит от вычислительных модулей, установленных в автомобиле и базовой станции. В 
настоящей работе протокол выработки ключа и создание безопасного канала не 
рассматриваются. Считается, что такой канал уже создан, и обмен данными между станцией 
и ТС осуществляется через такой канал. 
Автомобиль является инициатором протокола. На стороне автомобиля генерируются 
два случайных значения Nv и Nv′, а также считается хэш от двух значений. Информация 
отправляется на базовую станцию, где, в свою очередь, генерируется случайное Ns, которое 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
11 
отправляется автомобилю. Далее происходит ключевой момент протокола. В ответ на 
переданное Ns, отправляется Ns
⊕Nv. Для определения расстояния на стороне станции 
считается время между отправкой Ns и получением Nv
⊕Ns, а потом, на основе полученного 
времени и скорости передачи данных, считается расстояние [4]. Финальная часть протокола 
– проверка подлинности транспортного средства. Для этого автомобиль отправляет 
подписанное значение Nv′, а базовая станция проверяет подпись и значение хеш-функции. 
Данный протокол был усовершенствован. На рис. 2 представлена обновленная версия 
протокола [1]. 
Рис. 2. Обновленная версия протокола (2006) 
Представленный протокол отличается от предыдущего в финальной части: вместо 
отправки в открытом виде значения Nv′ отправляется зашифрованное значение Ns и Nv′, что 
позволяет добиться максимальной безопасности при передаче данных. Данный протокол 
можно считать надежным и использовать при передаче данных между транспортным 
средством и базовой станцией.