基于目录哈希树的车联网数据同步传输方法仿真

严嘉正，马占海，薛晓慧

（1.国网青海省电力公司信息通信公司，青海西宁 810008；2.国网青海省电力公司，青海西宁 810008）

车联网通常通过无线的方式进行数据传输，但是由于汽车的运行速度较快，导致数据传输出现了延时问题。因此，数据实时传输成为车联网的一个核心问题，而一个有效的路由协议就显得尤为重要。目前，国内外学者对车联网的路由算法进行了深入的研究。目前提出的基于5G 蜂窝网辅助的数据传输方法，利用5G 蜂窝网辅助技术，对车联网中的信息进行了分类。为了减少通信链路中断率，使用传输时延不灵敏的总线辅助路由算法，传输车联网数据[1]；还有学者提出的基于线程池技术的数据传输方法，根据基于空间数据传输的系统工作流程，采用线性化的方法将其分为四个部分，并分别计算了线程池的数目、建立了相应的同步传输过程的逻辑顺序，通过使用空间数据加密的同步算法来实现网络优化，加快数据同步传输[2]。然而，在车联网中，当采用磁盘作为数据同步设备时，会出现数据同步传输时间长的问题[3]。针对这一问题，提出了基于目录哈希树的车联网数据同步传输方法仿真研究。

1 车联网数据监控平台自助分析监测

车联网数据监控平台自助分析监测，包括以下步骤：

步骤1：抽取车联网数据监控平台所提供的地图信息，主要包括社会和环境信息[4-5]；

步骤2：对比车联网运行数据的时间特性与群体特性；

步骤3：设定条件，可自动搜寻满足要求的资料；

步骤4：根据分析的地区和数据特征，自动生成推荐报告。

为了决定同步发送的时间，必须进一步分析推荐报告的逻辑处理时间，处理逻辑时序图如图1所示。

图1 处理逻辑时序图

在数据同步时队列中会出现工作混乱的问题，从而造成了程序上的错误，这是由于主线程和工作线程在选择队列任务时会产生混乱。所以，利用关键区域技术，可以同时读取和写入两个线程的操作[6-7]。主线程必须时刻了解已知的任务进展情况，但若直接监控主线程，则一般会锁定主线程[8]。同时采用查询线程的方式，对其进行监测，并向主机反馈监测结果，以此保证同步传输效率。

2 数据同步传输仿真

2.1 构建目录哈希树

以上述监测的车联网数据监控平台自助分析结果为基础，构建数据同步传输的目录哈希树。因为子节点的哈希值需要利用父节点哈希值决定，所以结合深度遍历算法，依次遍历目录树，以此计算子节点的哈希值[9]。然后统计全部计算结果，再回溯到父节点，完成目录哈希树构建。具体步骤如下所示。

步骤1：指定一个目录的开始路径，初始化根的查询点，然后将其压入stack。此时的stack 是一个目录遍历辅助容器，通过该容器确定目录的开始路径[10]；

步骤2：循环检查stack 的状态，如果stack 不是空的，则执行步骤3。如果stack 是空，则表示未发现任何可以进行哈希运算的节点，这表示哈希树已被构造。返回到目录哈希树的根位置，并从这个循环中退出[11]；

步骤3：读取栈顶找点，当查询点的flag 值是0时，代表了该节点完成首次扫描。然后判断是否存在子节点，并计算哈希值[12]。此时，将flag 值更改为1，执行步骤4。如果节点的flag 值是1，说明这个节点已经进行了二次扫描，并且已经通过了一个目录，说明子节点寻找哈希值，继续执行步骤5；

步骤4：在指定的路径下遍历目录，若路径类型是档案形式，则停止遍历；若路径类型是目录形式，则依序初始化档案或目录父节点，并将节点依次压入stack 中[13]；

步骤5：计算节点的哈希值，当一个节点是一个文件或者一个空文件夹时，依据其文件名称和上次的修改时间来计算哈希值，然后插入到哈希列表中。若N个资料夹为资料夹，则在查询点的哈希清单上按顺序合并清单中的散列值。通过运算产生的哈希拼接字串，获得寻点的哈希值[14]。当计算结束时，从stack 中删除错误的位置，由此构建一个完整的目录哈希树。

2.2 基于目录哈希树数据同步传输流程设计

目录哈希树控制结构造成客户端不能进行直接交互。因此，要实现分布式的目录同步，就必须在客户端和中央节点（云）间进行双向同步，即客户端将本地文件的更改定时与中央节点进行同步[15]。同时，分析了中心节点上其他客户端的同步改变，并在当地进行牵引，使其他客户端的目录拷贝同步[16]。图2 为基于目录哈希树的数据同步传输流程。

图2 基于目录哈希树的数据同步传输流程

根据图2 所示的同步传输流程，设计了车辆道路切换、紧急路况两种情况下的数据同步传输方式。

2.2.1 车辆道路切换情况下的数据同步传输

在同一道路上，有不同方向的交通工具。在作决策时，交通节点和中继节点必须了解前方同一条道路上车辆的运行情况，而另一条道路上的交通流则会严重影响到其判断。所以，按照车辆的行进方向以及道路的不同，将同一道路、同一方向的转接位置作为一个节点，从而避免无关干扰，提高数据通信的可靠性。

车辆道路切换情况下的数据同步传输步骤为：

通信双方A 和B 通过某条线路获取密钥公用参数，则在所选路径上向通信方B 传输车联网数据，该过程需要进行同步数据传输加密处理：当通信一方接收到车联网数据后，根据随机数判断数据是否重放，如果是，则直接剔除，反之，则需通过对方公钥重新签名并核实。

通信方A 通过数据密钥加密传输车联网数据，并假设需要传输的数据包为m，该数据包经过加密处理后，得到的数据密文为：

式中，nk表示第k个需要加密的数据。

发送方将密文分解成i个子数据包，同时在数据包中添加相关参数，则：

式中，s表示会话序号；r表示块表示；ti表示时间戳。通信方B 接收的车联网数据流程：根据会话序号认证空间数据，通过认证结果根据块标识，对数据包进行解码处理，并恢复成明文数据包状态，实现车辆道路切换情况下的数据同步传输。

2.2.2 紧急路况情况下的数据同步传输

在车辆行驶过程中，容易出现车辆突然发生故障、事故等特殊情况的问题，基于此，设计的紧急路况下的数据同步传输步骤如下。

为了抑制车联网数据传输受到威胁，需识别威胁目标等级。如果使用xi表示威胁目标，那么当j个目标同时发起攻击时，需要根据选定的参数属性，使用量化函数手段，将威胁目标进行规格化处理，并将其转换为量化矩阵形式。

假设任意目标针对不同威胁等级对应隶属度矩阵，将威胁级别隶属度作为权重，能够求取威胁目标和等级之间的差别，使用加权欧氏距离，可表示为：

式中，vih表示威胁目标xi的h级别隶属度；qjh表示属性j隶属威胁h级别的规范函数；wj表示属性j的权重。

按照最小二乘法原则，式（3）的计算结果是最小的，为了获取最佳隶属度矩阵和规范矩阵，构建威胁目标识别模型，如式（4）所示：

通过式（4）可以快速判断威胁数据的相关特性，进而实现威胁数据的精准识别。

3 仿真测试

3.1 仿真界面

为了验证基于目录哈希树的车联网数据同步传输方法仿真的实用性，通过KDD-CUP99 威胁测试数据源，利用Matlab 仿真工具，在XP 操作系统中，使用2.6 GHz 的处理器进行仿真操作。图3 为车联网数据传输异常检测界面。

图3 车联网数据传输异常检测界面

通过图3 确定威胁目标，并从KDD-CUP99 威胁测试数据源中任意抽取五个数据集进行仿真测试。

3.2 仿真结果与分析

仿真模拟双向道路交通路况、T 型道路交通路况和十字道路交通路况，在这三种路况下，分别使用基于5G 蜂窝网辅助的数据传输方法、基于线程池技术的数据传输方法和基于目录哈希树的传输方法，对比分析仿真结果。

3.2.1 双向道路交通路况模拟

在双向道路交通模拟路况下，三种方法的数据传输时间如表1 所示。

表1 双向道路交通路况下三种方法数据传输时间

由表1 可知，使用基于5G 蜂窝网辅助的数据传输方法和基于线程池技术的数据传输方法，均比基于目录哈希树的传输方法所耗费时间要长，最大时间差分别为2.98×10-3s 和7.23×10-3s。

3.2.2 T型道路交通路况模拟

在T 型道路交通模拟路况下，三种方法的数据传输时间如表2 所示。

表2 T型道路交通路况下三种方法数据传输时间

由表2 可知，使用基于5G 蜂窝网辅助的数据传输方法和基于线程池技术的数据传输方法，均比基于目录哈希树的传输方法所耗费时间要长，最大时间差分别为16.35×10-3s 和13.90×10-3s。

3.2.3 十字道路交通路况模拟

在十字道路交通模拟路况下，三种方法的数据传输时间如表3 所示。

表3 十字道路交通路况下三种方法数据传输时间

由表3 可知，使用基于5G 蜂窝网辅助的数据传输方法和基于线程池技术的数据传输方法，均比基于目录哈希树的传输方法所耗费时间要长，最大时间差分别为6.72×10-3s 和3.98×10-3s。

通过上述分析结果可知，使用基于目录哈希树的传输方法，车联网数据同步传输时间较短。

4 结束语

为了提高车联网数据同步传输效率，提出了基于目录哈希树的车联网数据同步传输方法仿真，通过构建威胁目标识别模型，抑制车联网数据传输威胁。通过仿真实验，验证了该方法具有高效传输效果。同时，所提出的仿真方法也可用于其他分布式数据的同步、冲突检测。下一步研究将探讨在双向同步传输时增加备份的可行性，以减少对网络带宽的需求，并提高传输速度。