VANETs: Vehicular Ad-Hoc Netwoks

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1 VANETs: Vehicular Ad-Hoc Netwoks Thiago Furtado de Mendonça Universidade de São Paulo Institudo de Matemática e Estatística Computação Móvel 14 de julho de Introdução VANETs são redes móveis formadas principalmente por veículos que circulam em uma malha viária e também por bases fixas na infraestrutura dessa malha [4, 8]. As VANETs são redes que estão no campo das MANETs Mobile Ad-Hoc Networks, portanto os desafios encontrados na implementação das MANETs também são desafios na implementação das VANETs. Cada veículo em uma rede móvel veicular funciona como um nó que recebe e envia mensagens, ou como um roteador que recebe um pacote e reenvia em direção ao destinatário. A comunicação entre os veículos tem normalmente média ou pequena distância. Alguns nós são estacionários e estão em pontos estratégicos nas estradas, como restaurantes e postos de gasolina. A comunicação com essas bases fixas geralmente tem maior alcance. As VANETs tem as mesmas características das MANETs, mas se diferenciam das MANETs pela [7] : Topologia altamente dinâmica da rede, dado a velocidade que os nós (veículos) trafegam; Desconexão frequente quando a densidade de tráfego é baixa e os nós estão distantes uns dos outros; 1

2 Mobilidade restrita, já que carros geralmente circulam nas ruas, saindo quando entram em estacionamentos; Energia ilimitada, sendo uma vantagem no desenvolvimento de dispositivos quanto ao consumo de baterias; Influência do ambiente. Prédios, árvores e outros obstáculos, somados a densidade variável do trânsito e ambiente. A aplicação de VANETs é ampla envolvendo segurança no tratamento de situações de congestionamento e acidentes, assistência ao motorista pela otimização na quantidade e qualidade de informações disponíveis no controle de bordo, automação de serviços de cobrança nas rodovias agilizando o trânsito nos dias de maior tráfego, e informações sobre rodovias e pontos de interesse gerando uma boa alternativa para publicidade. 2 Comunicação Ocorrem dois tipos de comunicação nas VANETs. O primeiro, mais semelhante a comunicação de uma MANET, é a comunicação entre os veículos denominada V2V (Vehicule-to-Vehicle). Nessa comunicação a topologia da rede é totalmente dinâmica e os nós se comportam de maneira auto-organizáveis e autogerenciáveis, tornando um desafio o desenvolvimento de protocolos de roteamento para essa comunicação onde a troca de mensagens de roteamento se torna grande. O segundo, é uma comunicação composta de bases fixas, as RSUs (Road Side Units) na infraestrutura da malha viária denomidade V2I (Vehicule-to-Infrastructure). O roteamento de pacotes é simples dado que cada pacote é entregue com apenas um salto, e o posicionamento de cada base é sabido. Quando um veículo envia uma mensagem pública, basta enviar às bases e estas fazem o broadcasting das mesmas. Ainda pode-se considerar sistemas que fazem backup de dados de veículos que estacionam em casa, fazendo com que a casa tenha uma base privada. Toda a comunicação é feita em uma faixa de frequência denominada DSRC (Dedicated Short-Range Comunication). O DSRC ainda não é um padrão, em- 2

3 bora existam tentativas de padronizá-lo. Abaixo estão listadas algumas dessas tentativas: DSRC americano: em novembro de 2002 a FCC (Federal Communication Commission) solicitou a utilização de 75 MHz na faixa de 5.9 GHz para o DSRC; DSRC europeu: é usado o intervalo frequência de 5725 MHz a 5875 MHz que corresponde a banda de frequência ISM (Industrial, Scientific and Medical); DSRC no japão: um padrão ainda não totalmente formalizado, denominado ARIB T75 está sendo usado para aplicações que usam DSRC, na faixa de 5.8 GHz. O IEEE vem desenvolvendo o padrão WAVE (Wireless Access in a Vehicular Environment) para a camada física de dispositivos móveis que implementam VANETs. O padrão a é usado como base para o WAVE (802.11p). O WAVE é construído sobre o DSRC americano dividindo o espectro de frequência em sete canais de 10MHz cada. Um desses canais é usado apenas para gerenciamento da rede e serve para troca de mensagens de controle da rede. O grande desafio desse protocolo é a construção de uma camada MAC que suporte a alta velocidade dos nós, que precisa ter latência minimizada. 2.1 Roteamento de pacotes O roteamento de pacotes em VANETs pode ser dividido em duas classes. Os protocolos baseados em topologia, e os protocolos baseados em posição geográfica. Os protocolos baseados em topologia são os mesmos usados nas MANETs, usando tecnologias como DSR (Dynamic Source Routing) e AODV (Ad hoc On- Demand Distance Vector Routing) [7]. Os protocolos baseados em posição geográfica, utilizam as posições atuais ou históricos das coordenadas dos nós. Uma definição importante para roteamento baseado em posição geográfica, é a definição de beaconing, uma técnica em que nós vizinhos são inseridos em uma tabela, com suas posições geográficas e um tempo que define o timestamp do último beacon 3

4 recebido. Quando um sinal de beacon ultrapassa um dado valor, o nó vizinho é excluído da tabela. Essa transmissão de mensagens para deteção de presença é periódica e o período que a mensagem deve ser enviada é o valor threshold que um nó espera até excluir um vizinho de sua tabela. Dado que a troca de mensagens acontece entre carros que eventuamente tem sensores GPS, usar a posição como parâmetro para entrega de mensagens é uma vantagem. O protocolo VITP (Vehicular Information Transfer Protocol) usado na camada de aplicação considera que o dispositivo da VANET têm acesso a um sensor GPS. 2.2 Camada da aplicação VITP O VITP [3] é um protocolo implementado na camada de aplicação, por isso independe do protocolo usado na camada física. Ele especifica a sintaxe e a semântica usada na comunicação entre os nós da rede. Os nós da rede são denominados VITP Peers. Cada veículo implementa um peer que irá compor uma rede, comportando-se como servidor, cliente ou roteador de pacotes para seus vizinhos conhecidos. Além de considerar a existência de um sensor GPS nos peers, o protocolo ainda assume que cada veículo está equipado com uma interface de rede wireless e um dispositivo de diagnóstico de parâmetros do veículo. O VITP ainda suporta conexão via GPRS para que veículos sem vizinhos próximos possam se conectar e ainda assim receber informações da rede. Dada a dinamicidade da rede os nós precisam se auto-organizarem. Para resolver esse problema o VITP implementa o VAHS (Virtual Ad-Hoc Server). Essas entidades são composta de peers que estão em um momento, próximos geográficamente. Esses servidores são compostos sob demanda, isto é, pela alta mobilidade dos nós que compõem os VAHSs, os nós se organizam para responder a consultas feitas a algum nó que está no mesmo VAHS, respondendo assim por qualquer nó conhecido como vizinho. Dessa forma o protocolo não garante a entrega de mensagens de consulta nem das respostas que serão enviadas. 4

5 3 Segurança O desenvolvimento de recursos de segurança em VANETs é de suma importância mas tem sido pesquisado apenas nos últimos anos. Devido a forças para padronização de protocolos de roteamento em vários sistemas, a segurança dos dados trafegados nas VANETs é deixada em segundo plano. Há muitos dados que devem ser mantidos em sigilo como informações sobre registro de veículos, placas, informações sobre o portador da habilitação e a identidade de pessoas que estão dentro de veículos. Usuários maliciosos devem ser detectados, e os dados ter segurança razoável. Para isso pode-se dizer que é necessário autenticar usuários na rede, verificar a consistência dos dados recebidos, manter os nós sempre conectados quando um ataque for realizado, identificar usuários maliciosos e manter a privacidade mesmo após a autenticação [5, 6]. 3.1 Ataques Ataques a VANETs podem ser feitos por nós intrusos ou nós que são usuários válidos. Alguns ataques que podem ser realizados: Rastreamento de veículos - Um usuário autenticado na rede se conecta às várias bases existentes na infraestrutura da rede, deixando ou não algum log de conexão. Assim, um usuário malicioso pode perceber a presença de outro usuário a partir deste ponto e rastreá-lo; Mensagens falsas - Um nó pode disseminar informação falsa sendo passivo ou ativo. Se passivo, apenas repassará mensagens falsas recebidas. Se ativo, gera mensagens falsas como de situações de trânsito falsas para seu favorecimento; Mascaramento de veículos - Um usuário se passa por outro que está ou passou na rede. 5

6 3.2 Segurança a ataques A EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) vem desenvolvendo estudos para um sistema de segurança para VANETs. Segundo os pesquisadores alguns conceitos chaves devem ser levados em consideração para que haja segurança nas redes. Abaixo estão listados os itens: Autenticação e integridade - As mensagens devem ser autenticadas e verificadas quanto a sua integridade, bem como deve ser mantido a autenticidade do nó que gerou a mensagem; Negação de mensagens - Um nó nunca deve negar o envio de uma mensagem a partir do momento que ele tem a mensagem requerida por outro nó; Autorização e controle de acesso - Alguns serviços da rede devem ter controle de acesso. Por padrão todos os serviços em uma VANET é aberto, exceto alguns serviços usados pelas bases da infraestrutura. Esses serviços somente devem ser acessados por usuários com permissão de uso; Confidencialidade - O conteúdo das mensagens deve ser mantido em segredo para os nós que fazem o papel de roteador; Privacidade - Este é um item conflitante com a autenticação. Para manter a privacidade é necessário o uso de chaves anônimas; Disbonibilidade - Sistemas devem ser tolerantes a falhas ocorridas por ataques ou erros. O sistema implementado na VANET deve sempre prover acesso a rede por algum meio; Responsabilidade dos nós - A rede deve prover informações sobre os nós que podem gerar mensagens que provoque mal comportamento dos outros nós. O sistema SeVeCom (Secure Vehicular Communication), desenvolvido pela EPFL, implementa comunicação segura em redes veiculares observando os conceitos listados acima. [2] 6

7 4 Conclusão Redes móveis veiculares é um campo de pesquisa ainda novo, pouco abordado, sendo de maior interesse para as montadoras de automóveis. Algumas montadoras trabalham na possibilidade de veículos sairem de fábrica com dispositivos capazes de fornecer acesso a redes veiculares. O sistema Cartel [1] apresenta uma interface com serviços voltados para redução de tráfego, monitoramento de ruas, detecção de perigo e disponibiliza uma versão para Iphone (icartel) que se utiliza da computação já fornecida pelo dispositivo celular móvel. Há muito ainda a ser pesquisado principalmente quanto a segurança. Se implementado em veículos, no início serão poucos com esses sistema, mas a densidade das redes veículares pode aumentar drasticamente com o amadurecimento da tecnologia, assim sistemas novos podem não ter suporte à escalabilidade necessária. Referências Bibliográficas [1] Cartel. [2] Secure vehicular communication. [3] Marios D. Dikaiakos, Tamer Nadeem, Saif Iqbal, and Liviu Iftode. Vitp: an information transfer protocol for vehicular computing. In in: VANET â05: Proceedings of the 2nd ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks, ACM, pages Press, [4] Thiago da Costa Jordão Eduardo Guimarães Ribeiro, Rômulo Valente Coutinho. Vanets - redes ad-hoc veiculares, [5] P. Papadimitratos, L. Buttyan, T. Holczer, E. Schoch, J. Freudiger, M. Raya, Z. Ma, F. Kargl, A. Kung, and J. P. Hubaux. Secure vehicular communication systems: Design and architecture. IEEE COMMUNICATIONS, 46(11): ,

8 [6] P. Papadimitratos, V. Gligor, and J-P. Hubaux. Securing vehicular communications - assumptions, requirements, and principles. In WORKSHOP ON EMBEDDED SECURITY IN CARS, pages 5 14, [7] Bijan Paul, Md. Ibrahim, and Md. Abu Naser Bikas. Article: Vanet routing protocols: Pros and cons. International Journal of Computer Applications, 20(3):28 34, April Published by Foundation of Computer Science. [8] Bernardo Rodrigues Santos. Vehicular ad-hoc networks,

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