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如今，车辆越来越多地连接到物联网，这使它们能够为驾驶员和乘客提供无处不在的信息访问服务。随着联网车辆数量的不断增加，车辆网络的新要求，例如车辆、人员和路侧基础设施之间无缝、安全、稳健、可扩展的信息交换，正在出现，而这需要网络协议的支撑。网络协议可以理解为数据间互信、互联的纽带。我们对于网络协议并不陌生，在互联网中，采用的是TCP/IP，该协议可以使数据在各种硬件和操作系统上实现互操作，比如Android、iOS、Windows、Linux使用同一套TCP/IP互相通信。
车联网生态系统包含相交互的7个主要元素，即车辆（V）、人（P）、网络基础设施（I）、传感设备（D）、路侧设备（R）、云服务（C）和网络（N）。所有这些元素之间的不同交互将导致多层次的数据交换，这就需要不同的网络协议来支撑。这些网络协议也是我们进行安全研究时的重点，下面会详细介绍。
基于车联网业务逻辑架构，构建智能网联汽车平台。网络安全视角下的车联网架构分为四层——设备层（Device layer）、网络层（Network layer）、平台层（Platform layer）和应用层（Application layer），以下简称DNPA，如图2-2所示。
图2-2 车联网业务逻辑架构
按照车联网网络边界划分，汽车网络包含车端、管道、云端三层网络体系：第一层是车端网络（车内网），第二层是管道网络（车际网），第三层是云端网络（车载移动互联网）。如图2-3所示。
图2-3 汽车网络层级
（1）车端（设备层）
车联网的“端”指的是具备无线通信能力的各种车载和基础设施终端，它们能够实现车辆之间、车辆与云端之间的信息传输与接收，以及交通状态信息的共享。这些终端和平台的通信能力可以支持实时监控与控制，以及对车辆性能和驾驶行为的分析与优化。
（2）管道（网络层）
无线通信技术是车联网的通信管道，位于车联网的网络层，它也广泛应用在V2X场景当中。V2X是将车辆与一切事物相连接的新一代信息通信技术，终端可进行V2P、V2V、V2R、V2S等多种V2X通信。
（3）云端（平台层和应用层）
云平台是一个综合信息和服务平台，包含平台层和应用层。平台层主要包括数据平台、业务平台、运营平台和支撑平台等，实现数据采集、计算分析、决策，支持业务安全地运行。应用层面向车联网行业的各类应用（包含智慧交通、远程诊断、信息娱乐、自动驾驶、行业应用等）支撑系统，提供多样化的公共服务和行业应用。平台层和应用层可根据业务需求进行扩展，根据其网络支撑能力部署在边缘云或中心云上。汽车制造商正在与云服务提供商一起使汽车成为一个互联系统，并将消费者的数字生活方式扩展到他们的汽车中。
一辆智能汽车有大量的控制系统，比如安全气囊、制动、巡航控制、电动助力转向、音响系统、电动车窗、车门、后视镜调节、电池和充电系统等，就像Web开发中的微服务一样。这些控制单元会产生状态数据，有了数据，就要进行传输，这就需要车内网络通信，这种网络可以称为车内网，如图2-4所示。
图2-4 车内网
车内网的核心是总线协议，汽车使用CAN、LIN、FlexRay、面向媒体的系统传输（MOST）和以太网等总线通信协议在不同的ECU之间进行通信，如图2-5所示。
图2-5 车辆总线协议架构
总线协议这里不展开，后续会详细介绍。那么通过什么方式把车内数据传输到云端或者其他地方呢？一般通过车载网联通信终端（Telematics BOX，T-BOX）来实现。T-BOX也称远程信息处理控制单元（Telematics Control Unit，TCU）。T-BOX把车上产生的数据传输到相关车联网服务平台。它可安装在仪表板下方、驾驶员座椅下方等地方，集成了MCU、数据存储模块、GNSS模块、无线通信模块、CAN收发模块、3G/4G、Wi-Fi/蓝牙等模块，同时预留接口支持外接设备，如娱乐屏、各类传感器等，如图2-6所示。
图2-6 T-BOX系统框架
T-BOX对内与车载CAN总线相连，实现指令和信息的传递，对外实现云平台与车端互联，是车内外信息交换的纽带，如图2-7所示。
这里强调一下，这里的数据不仅有在车内产生的，还有在车外通过传感器产生的，这些数据都在车内通过CAN进行传输。例如防碰撞的传感器信息、监测路面路况的传感器产生的信息等。
如果车辆自身没有对外通信的能力，那么车内网就是一个局域网，一个孤岛，因此车辆必须能够联网，这就需要具备车际网络协议，如图2-8所示。这里只介绍专用短程通信技术和蜂窝通信网络，其他通信协议在后面介绍。
图2-7 T-BOX通信示意图
图2-8 车际网络协议
实现车辆的对外通信，是有很高要求的，因为车辆通常在高速移动，而且是长距离、大范围移动。早期为了实现车辆的对外通信，汽车制造商采用的是专用短距离通信技术（Dedicated Short Range Communication，DSRC）。
1992年美国材料与试验学会（American Society of Testing and Materials，ASTM）针对ETC业务最先提出短距离连接技术的概念。2001年，ASTM的相关标准委员会选定IEEE 802.11a—1999作为DSRC底层无线通信协议标准。
在图2-9所示的ETC场景中，RSU（路侧单元）采用DSRC技术与OBU（On Board Unit，车载单元）进行通信，实现车辆身份识别，并进行车辆电子收费。DSRC技术其实就类似于在道路边上装Wi-Fi，以让车辆通过这个Wi-Fi进行通信。
图2-9 ETC场景
每辆汽车具有车载无线发射器/接收器，与部署在道路不同位置的RSU进行通信，使联网车辆足够智能，并选择最佳、最短的驾驶路线。分布式RSU在车用移动通信网络（Vehicular Ad-hoc NETwork，VANET）中发挥着关键作用，作为道路上用于集中通信的静态基础设施，RSU通过周期性和非周期性消息传播提高流量连接性与安全性。然而由于RSU采用分布式部署方式，它极易受到网络攻击。例如，当联网车辆通过RSU接收错误的位置信息时，容易给车辆造成交通拥堵的错觉，并误导车辆选择不同的路径，最终可能导致交通拥堵或者交通事故。
2004年，IEEE修订IEEE 802.11p协议规范，并成立工作组，启动车载环境下的无线接入（Wireless Access in Vehicular Environments，WAVE）标准制定工作。为进一步开展车路协同的技术研究，2010年，WAVE工作组正式发布IEEE 802.11p车联网通信标准。该标准作为车载无线通信规范，应用于智能交通系统（Intelligent Traffic System，ITS），成为DSRC的底层协议（位于MAC层/PHY层，即OSI模型中的数据链路层和物理层）。WAVE协议架构如图2-10所示。
图2-10 WAVE协议架构
（图片来源：Routing Protocols Simulation for Efficiency Applications in Vehicular Environments）
DSRC迄今为止还没有形成统一的国际标准，国际上DSRC标准主要有欧、美、日三大阵营：欧洲ENV系列、美国900MHz和日本ARIBSTD-T75标准。由于各国的标准不同，未来DSRC的标准走向还有待观察。
从名字可以看出，DSRC适合短距离范围内通信。如果距离长了，可靠性等各方面都会存在问题。那么，什么技术适用于通信距离长的场景呢？手机上使用的蜂窝通信网络就可以。
汽车网络中一般将蜂窝通信网络称为C-V2X（Cellular Vehicle to everything），以便与基于WLAN的V2X区别开来。3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）成立于1998年12月。该组织于2014年开始C-V2X的标准化工作，2017年发布C-V2X规范。此时C-V2X功能基于LTE，因此该网络也通常被称为LTE-V2X。随着5G的发展，新的C-V2X规范于2018年发布，为了区别于底层技术，常称之为5G-V2X。无论上述哪种情况，C-V2X都是通用术语，指的是使用蜂窝技术的V2X技术，而与特定的技术无关，如图2-11所示。
图2-11 C-V2X通信
C-V2X依托现有的LTE基站，避免了重复建设，而且工作距离远比DSRC长，提供了更高的带宽、更高的传输速率、更大的覆盖范围。表2-1总结了DSRC和C-V2X的技术特性。
表2-1 DSRC和C-V2X的技术特性
车载移动互联网是指车辆云端系统通信协议，主要包含HTTPS/MQTT等协议。车载云端系统主要包括ITS、物流、客货运、汽修汽配、汽车租赁、汽车制造商、移动互联网等，这些系统主要用于车辆的数据汇聚、计算、监控和管理等。车联网生态系统如图2-12所示。
图2-12 车联网生态系统
下面以手机App操控汽车为例，让大家直观地感受车联网，如图2-13所示。
图2-13 手机App操控汽车示例图
用户通过手机App发送控制指令，车载信息服务提供商（Telematics Service Provider，TSP）后端系统向T-BOX发送控制请求，车辆获取到控制指令后，控制报文通过CAN总线发送消息，实现对车辆的控制，最后将操作结果，如远程启动车辆、打开空调、将座椅调整到合适位置等，反馈给用户的手机App。