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智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析及安全檢測*

2024-03-26 04:48袁豪杰
信息安全與通信保密 2024年1期
關(guān)鍵詞:智能網(wǎng)以太網(wǎng)車載

袁豪杰,唐 剛

(中國軟件評測中心,北京 100048)

0 引 言

當(dāng)前,隨著全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的蓬勃發(fā)展,汽車與信息通信等領(lǐng)域技術(shù)加速融合,電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化成為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展潮流和趨勢,其中,智能網(wǎng)聯(lián)汽車已經(jīng)成為汽車行業(yè)未來發(fā)展的主要方向。智能網(wǎng)聯(lián)汽車是指搭載先進(jìn)的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置,并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù),實(shí)現(xiàn)車與車、路、人、云端等(以下用X 代替)智能信息交換、共享,具備復(fù)雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能,可實(shí)現(xiàn)安全、高效、舒適、節(jié)能行駛,并可最終實(shí)現(xiàn)替代人完成駕駛操作的新一代汽車。國務(wù)院辦公廳2020年發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》提出,新能源汽車將融匯互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等多種變革性技術(shù),推動汽車從單純交通工具向移動智能終端、儲能單元和數(shù)字空間轉(zhuǎn)變[1]。國家發(fā)改委2020年發(fā)布的《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》指出,到2025年,我國智能網(wǎng)聯(lián)汽車的技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)動態(tài)、基礎(chǔ)設(shè)施、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品監(jiān)管和網(wǎng)絡(luò)安全體系將基本形成[2]。綜合來看,在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能技術(shù)的影響下,信息通信企業(yè),新興互聯(lián)網(wǎng)科技公司,網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、服務(wù)商以及基礎(chǔ)設(shè)施公司不斷融入汽車產(chǎn)業(yè),使得汽車產(chǎn)業(yè)由垂直產(chǎn)業(yè)鏈向網(wǎng)狀生態(tài)圈演變,成為未來汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)不可或缺的重要組成部分。

然而,在智能網(wǎng)聯(lián)汽車快速發(fā)展的同時(shí),智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全問題隨之快速增多。據(jù)統(tǒng)計(jì),2018年針對智能汽車的網(wǎng)絡(luò)攻擊數(shù)量是2010年的6 倍,2022年則增至20 倍[3]。在此背景下,對比分析傳統(tǒng)汽車和智能網(wǎng)聯(lián)汽車架構(gòu),并面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車開展安全檢測研究具有重要意義。

1 傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡述

傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由控制器局域網(wǎng)(Contriller Area Network,CAN)、可變數(shù)據(jù)的控制器局域網(wǎng)(CAN with Flexible Data-Rate,CAN-FD)等各類總線[4]以特定的車內(nèi)通信協(xié)議規(guī)則和消息格式,控制車內(nèi)各電子控制單元網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(Electronic Control Unit,ECU)進(jìn)行統(tǒng)一通信。按照傳輸類型的差異性,傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)的車載總線可分為5 種類型。不同類型車載總線的特點(diǎn)和用途如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)的車載總線類型對比

2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)探討

智能網(wǎng)聯(lián)汽車具備智能化和網(wǎng)聯(lián)化特點(diǎn),需要強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)支撐車輛通信,具體包括利用車載網(wǎng)絡(luò)開展車輛內(nèi)部通信和利用無線技術(shù)開展車輛同外界的通信(Vehicle to Everything,V2X)。其中,前一類通信目前多基于車載以太網(wǎng)技術(shù)。

2.1 車載以太網(wǎng)應(yīng)用分析

區(qū)別于傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),智能網(wǎng)聯(lián)汽車的首要目標(biāo)不僅是保障車輛自身網(wǎng)絡(luò)通暢,還需要確保任一路段的所有車輛、車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施及云服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)有效聯(lián)網(wǎng),確保信息能夠按照一定規(guī)則進(jìn)行交換,并且保證極低的通信時(shí)延和極高的可靠性。此外,智能網(wǎng)聯(lián)汽車還需要確保網(wǎng)絡(luò)具備一定的獨(dú)立性,即確保在偏遠(yuǎn)地區(qū)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋不完善的地區(qū)也可以具備一定程度的聯(lián)網(wǎng)功能。為了確保上述智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn),車載以太網(wǎng)[7](Automotive Ethernet)方案隨之誕生。

初始車載以太網(wǎng)采用帶有屏蔽層的低電壓差分信號(Low Voltage Differential Signaling,LVDS)線纜。LVDS 采用極低的電壓擺幅提供高數(shù)據(jù)傳輸率,可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)對單點(diǎn)或單點(diǎn)對多點(diǎn)的連接,具備低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射等特點(diǎn)。盡管LVDS 線纜可滿足汽車行駛等環(huán)境下的使用要求,但是其自身所依賴的厚重屏蔽層限制了其在汽車狹小布線空間的運(yùn)用,同時(shí)LVDS 線纜的連接器也較其他線纜復(fù)雜,這對車載以太網(wǎng)提出了更高的要求。

當(dāng)下的車載以太網(wǎng)解決方案,主要是由博通公司發(fā)明的BroadR-Reach 以太網(wǎng)技術(shù)。BroadR-Reach 采用了單對非屏蔽雙絞線電纜和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)物理層組件來實(shí)現(xiàn)100 Mbit/s 速率的數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)BroadR-Reach 基于特殊編碼方式,將傳統(tǒng)以太網(wǎng)的125 MHz 基準(zhǔn)頻率變?yōu)?6.67 MHz,進(jìn)而改善信號抗電磁干擾(Electro Magnetic Interference,EMI)、射頻干擾(Radio Frequency Interference,RFI)等特性。該技術(shù)允許多種車內(nèi)系統(tǒng)同時(shí)通過單對非屏蔽雙絞線存取信息,由于采用非屏蔽線纜,基于BroadR-Reach 以太網(wǎng)技術(shù)的車載網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成本可降低約80%,線纜重量則較傳統(tǒng)的LVDS 線纜重量降低了30%。

從協(xié)議層面來看,在傳統(tǒng)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上,車載以太網(wǎng)的協(xié)議在物理層方面有著巨大的改變。BroadR-Reach 在物理層面引入了100BASE-T1、1000BASE-T1 重大技術(shù),打破了車載以太網(wǎng)技術(shù)壁壘,使以太網(wǎng)適應(yīng)汽車高速聯(lián)網(wǎng)的電子要求。其中,100BASE-T1 是指通過一對非屏蔽雙絞線可實(shí)現(xiàn)100 Mbit/s 的全雙工數(shù)據(jù)傳輸,傳輸頻率為66.67 MHz;1000BASE-T1 的傳輸頻率為750 MHz。此外,車載以太網(wǎng)還使用了包含基于車載以太網(wǎng)的診斷(Diagnostic communication over Internet Protocol,DoIP)、通過網(wǎng)絡(luò)提供面向服務(wù)的通信(Scalable Service-Oriented Middleware over IP,SOME/IP)和傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol,TCP)等。

2.2 對V2X 通信協(xié)議的分析

V2X 是智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重要組成部分,也是智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息交互占比最大的部分,包括了車與周邊環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)的一切通信。具體來講,主要分為車與其他車輛(Vehicle to Vehicle,V2V)、車與行進(jìn)過程中的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施(Vehicle to Infrastructure,V2I)、車與周圍行人(Vehicle to Pedestrian,V2P)、車與其他網(wǎng)絡(luò)(Vehicle to Network,V2N)的信息交互等,同時(shí)車內(nèi)主要依據(jù)車載遠(yuǎn)程信息處理器(Telematics BOX,T-BOX)實(shí)現(xiàn)各類指令和信息的傳遞。智能網(wǎng)聯(lián)汽車通過各類V2X 通信,整合了北斗、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)等定位導(dǎo)航系統(tǒng),連接了車與車、車與車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺、車與基站,實(shí)現(xiàn)汽車從傳統(tǒng)機(jī)械化動力設(shè)備向現(xiàn)代信息化智能設(shè)備的轉(zhuǎn)變[8],通過V2X 交互的信息可以包括基礎(chǔ)安全信息,如車輛或行人的位置、移動速度、移動方向等,以輔助其他車輛或?qū)嶓w判斷是否存在安全隱患;也可以包括采集到的傳感器信息,如車輛將通過攝像頭或雷達(dá)采集到的周圍環(huán)境的信息發(fā)送給其他的車輛或行人,從而使得其他的車輛或行人獲得更多的道路交通狀況信息,以提高道路安全性。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的V2X 通信應(yīng)用場景異常復(fù)雜,包括道路安全、城市交通和信息服務(wù)等,此外面向未來還需兼容自動駕駛等復(fù)雜場景,例如,在上述應(yīng)用中,道路安全應(yīng)用場景主要對通信性能提出低時(shí)延、高可靠的要求;城市交通對其提出高頻度、高傳輸范圍、高傳輸速率等要求;信息服務(wù)則提出大帶寬的要求。此外,在智能網(wǎng)聯(lián)汽車實(shí)際工作期間,車輛的高度運(yùn)動會帶來多普勒頻移、環(huán)境復(fù)雜變化等問題,這對高密度、單對多、多對多的V2X 通信提出了更高的要求。常見的無線通信的實(shí)現(xiàn)方式主要包括無線電、廣播、蜂窩式網(wǎng)絡(luò)(Cellular)、專用短程通信(Dedicated Short-Range Communication,DSRC)等。當(dāng)前,用于V2X 通信的主要有2 種技術(shù)體系[9],一種是基于DSRC 的DSRC-V2X 技術(shù)體系,另一種是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的Cellular-V2X(C-V2X)技術(shù)體系。

DSRC 車載通信標(biāo)準(zhǔn)起源于IEEE 802.11 無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks,WLAN)標(biāo)準(zhǔn),并被重新命名為IEEE 802.11p。在IEEE 802.11p 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)完善穩(wěn)定后,IEEE 又推出了1609.x 系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),作為DSRC-V2X 的配套安全框架。當(dāng)前,基于DSRC 的V2X 通信依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11p 在物理層和接入層上提供無線接入,網(wǎng)絡(luò)層則依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1609.x,定義了多信道操作、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以及各通信實(shí)體安全等,其主要工作頻段有800~900 MHz、2.4 GHz(藍(lán)牙、Zigbee)和5.8 GHz(Wi-Fi)3 類頻段,其主要技術(shù)特點(diǎn)如表2 所示。從國際上來看,DSRC 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化體系包括歐洲主導(dǎo)的CEN/TC278、美國主導(dǎo)的ASTM/IEEE 和日本主導(dǎo)的ISO/TC204,DSRC-V2X 也主要由歐美國家主導(dǎo)力推。

表2 常見車載無線通信技術(shù)特點(diǎn)

區(qū)別于基于WLAN 的DSRC-V2X 技術(shù),以中國為主要代表的國家推出了C-V2X 技術(shù)體系,美國聯(lián)邦通信委員會也于2019年將部分已分配給IEEE 802.11p 的5.9 GHz 頻譜重新劃出一部分分配給C-V2X,這意味著美國對C-V2X 持積極態(tài)度。C-V2X 與生活中常用的手機(jī)移動網(wǎng)絡(luò)(蜂窩網(wǎng)絡(luò))一樣,都是依據(jù)第三代合作伙伴計(jì)劃統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的通信技術(shù),并且基于4G、5G 等形成車用無線通信技術(shù)。此外,C-V2X 又可細(xì)分為基于4G 的LTE-V2X 以及基于5G 的5G-V2X 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。相較于DSRC-V2X,C-V2X 主要有以下3 方面優(yōu)勢:一是DSRC-V2X 需要所有終端安裝收發(fā)模塊方可進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)直連通信,而C-V2X 可同時(shí)實(shí)現(xiàn)直連與非直連2 種通信方式,即車輛在實(shí)現(xiàn)與其他車輛或基礎(chǔ)設(shè)施點(diǎn)對點(diǎn)直連通信的基礎(chǔ)上,還可以通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)與其他交通實(shí)體進(jìn)行信息交互;二是4G、5G 等信息基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展完備,有利于推動C-V2X 技術(shù)落地;三是C-V2X 的通信范圍更廣,且蜂窩網(wǎng)絡(luò)芯片價(jià)格低于WLAN 芯片,綜合部署成本更低。但目前基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信也需要技術(shù)創(chuàng)新,以更好地服務(wù)多對多、高頻度、高隨機(jī)等車與車通信場景。C-V2X 與DSRC-V2X 的主要技術(shù)對比如表3 所示。

表3 C-V2X 與DSRC-V2X 技術(shù)對比

2.3 對V2X 通信架構(gòu)及典型場景應(yīng)用的分析

無論基于C-V2X 還是基于DSRC-V2X,V2X 的最終目的都是實(shí)現(xiàn)車輛和其他車輛、路、人、云服務(wù)平臺的信息交互。其完整通信架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 V2X 通信架構(gòu)

在實(shí)際通信過程中,根據(jù)不同的應(yīng)用場景,對智能網(wǎng)聯(lián)汽車各網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行指標(biāo),如時(shí)延、數(shù)據(jù)更新頻率等有著不同的要求。在實(shí)際運(yùn)行過程中,根據(jù)汽車工程學(xué)會發(fā)布的《合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng) 車用通信系統(tǒng) 應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》,將通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行指標(biāo)大致劃分為交通安全、交通效率、交通管理和信息服務(wù)等不同類別[10]。其具體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行指標(biāo)要求如表4所示。

表4 V2X 通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行指標(biāo)

3 智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)及檢測方法

3.1 風(fēng)險(xiǎn)分析

智能網(wǎng)聯(lián)汽車較傳統(tǒng)汽車最大的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在于各類網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通導(dǎo)致汽車內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)被暴露在其他外部網(wǎng)絡(luò)中,故針對智能網(wǎng)聯(lián)汽車的網(wǎng)絡(luò)攻擊可從任意網(wǎng)絡(luò)層面發(fā)起,如直接連接感知層系統(tǒng)軟件或接口自下而上發(fā)起攻擊;也可從應(yīng)用層自上而下發(fā)起攻擊,如利用漏洞竊取認(rèn)證信息,入侵遠(yuǎn)端云服務(wù)平臺,遠(yuǎn)程操控汽車等。此外,黑客可以通過電動汽車充電樁的充電電纜,實(shí)現(xiàn)對連接到同一網(wǎng)絡(luò)下充電樁的任意車輛發(fā)起攻擊[11],或通過OBDII 端口、CD 播放器、USB 等入口點(diǎn)訪問車載網(wǎng)絡(luò)并注入攻擊報(bào)文[12],或利用受安全加固的Wi-Fi 發(fā)起拒絕服務(wù)(Denial of Service,DoS)攻擊[13],或?qū)⑵囘B接到惡意Wi-Fi 熱點(diǎn)上并加以控制[14]。相對而言,傳統(tǒng)汽車遭受的網(wǎng)絡(luò)攻擊大多局限在傳感器層面[15]。智能網(wǎng)聯(lián)汽車常見網(wǎng)絡(luò)攻擊類型如表5 所示。

表5 智能網(wǎng)聯(lián)汽車常見網(wǎng)絡(luò)攻擊類型

3.2 基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)檢測

實(shí)時(shí)檢測主要針對車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)CAN 總線,主要基于以下3 方面考慮:一是車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的基石底座,車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互承載著車輛最基本的動力功能;二是盡管車載以太網(wǎng)等新型網(wǎng)絡(luò)體系在智能網(wǎng)聯(lián)汽車已得到廣泛應(yīng)用,但CAN 總線仍被廣泛應(yīng)用于汽車傳動系統(tǒng)和車身控制領(lǐng)域,連接著與汽車運(yùn)動行為相關(guān)的關(guān)鍵功能部件,在車輛動力總成、保障車輛安全行駛方面具有不可替代的作用[16];三是CAN 作為最基本的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)總線之一,在設(shè)計(jì)之初并未考慮網(wǎng)絡(luò)攻擊的威脅,疊加CAN 總線協(xié)議本身的固有缺陷,使得CAN 總線難以應(yīng)對智能網(wǎng)聯(lián)汽車的復(fù)雜安全威脅[17]。CAN 總線協(xié)議的固有缺陷如表6 所示,對其發(fā)起攻擊的方式和危害可見表5。

表6 CAN 總線協(xié)議特點(diǎn)及對應(yīng)缺陷

生成對抗網(wǎng)絡(luò)(Generative Adversarial Network,GAN)是一種基于對抗學(xué)習(xí)的深度生成模型[20],常用于區(qū)分真實(shí)圖像和虛假圖像?;贕AN 開展CAN 檢測的基本原理是將CAN 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像,其中正常CAN 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為真實(shí)圖像,摻雜攻擊數(shù)據(jù)的CAN 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為虛假圖像,利用GAN 模型將這兩種圖像加以區(qū)分,達(dá)到對攻擊數(shù)據(jù)的檢測效果。GAN模型的顯著優(yōu)點(diǎn)在于模型訓(xùn)練過程中,可自動生成隨機(jī)圖像用以代替攻擊圖像,可有效解決數(shù)據(jù)量不足的情況。GAN 模型如圖2 所示。

圖2 GAN 模型

在圖2 所示模型中,生成器G將隨機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為生成樣本(虛假圖像G(z)),并和真實(shí)圖像x一同輸入判決器,通過判決器D區(qū)分真實(shí)圖像和虛假圖像。上述模型可表示為:

式中:V為對抗損失函數(shù);E為期望函數(shù)。式(1)所反映的基本邏輯為對判別器D而言,如果樣本為真實(shí)圖像,那么D會最大化其輸出值,即;如果樣本為虛假圖像,那么D會最小化其輸出值,即,也可以用來表述。

最終,判別器達(dá)到以下目標(biāo),即最大化判斷正確數(shù)據(jù)為正確、不正確數(shù)據(jù)為不正確。而對于生成器G而言,則要生成盡可能具有迷惑性的圖片,盡可能最小化判別值,以反過來促進(jìn)判別器的判別能力,即。

GAN 模型在實(shí)車應(yīng)用中主要按照如圖3 所示的邏輯裝配,通過將訓(xùn)練好的檢測模型嵌入智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)體系中,實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)CAN 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)檢測,該模型可實(shí)現(xiàn)對重放、惡意代碼注入、嗅探、DoS 等網(wǎng)絡(luò)攻擊的檢測。在實(shí)際部署過程中,由于GAN 模型所需要的計(jì)算量較大,智能網(wǎng)聯(lián)汽車自身往往無法提供充足的計(jì)算資源以保證對異常數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測,通??山Y(jié)合C-V2X 網(wǎng)絡(luò)體系,將CAN 網(wǎng)絡(luò)檢測模型部署在邊緣計(jì)算平臺,通過云化形式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測。

圖3 基于GAN 的智能網(wǎng)聯(lián)汽車CAN 網(wǎng)絡(luò)檢測模型

4 結(jié) 語

近年來,智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展越來越迅速,對車的安全性要求也越來越高。本文詳細(xì)介紹了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu),特別是底層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如車載以太網(wǎng)、DSRC-V2X、C-V2X等,此外,還提出現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下的聯(lián)網(wǎng)汽車所面臨的攻擊風(fēng)險(xiǎn)。基于密切關(guān)聯(lián)汽車基本功能的CAN 網(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)檢測模型,以提高智能網(wǎng)聯(lián)汽車在實(shí)際行駛過程中的安全性,該模型可進(jìn)一步對車載以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測。未來,在各類電信基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善和城市邊緣算力、車載計(jì)算能力進(jìn)一步提升的情況下,DSRC-V2X、C-V2X 等豐富場景下的通信安全,可嘗試?yán)孟嚓P(guān)人工智能模型開展實(shí)時(shí)安全檢測,在提高交通效率的同時(shí)提升交通安全和隱私保護(hù)能力。

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