近年来,随着汽车智能化、网联化的快速发展,传统汽车逐渐退出历史舞台,智能网联汽车（Intelligent Connected Vehicle,ICV）成为汽车行业新的发展趋势,它在娱乐性和舒适性上给予人们更好的体验,但也同时存在一定的安全威胁。攻击者利用汽车远程接口非法入侵车内电子控制单元（Electronic Control Unit,ECU）,通过ECU节点通信机制中安全漏洞来获取车内网络总线上传播的数据,进而达到非法控制汽车的效果。因此,研究一种安全高效的ICV车内网络通信防护机制来保证数据安全是一项重要的工作。目前,现有ICV车内网络安全通信方法是以信息系统中的安全防护手段对车内总线数据进行保护,但是攻击者仍然会绕开这些防护方法对汽车进行非法控制。除此以外,这些防护方法中身份认证、数据加密等方式所需要的带宽超过ICV所提供的资源,难以在资源受限的车内网络中应用。针对上述难点,本文从ICV是一个物理信息系统角度出发,提出了一种以基于车载电源电压提取的随机数作为通信密钥的车内网络通信方案。本文的主要工作如下:第一,为了得到理想的随机密钥,从汽车本身出发,对车载电源电压变化过程进行分析。针对外部交通环境对驾驶决策的影响,搭建驾驶模式因果模型。在此基础上,进一步构建发电机模型,描述电源电压的变化过程。通过马尔科夫和极大似然估计将电压变化分为三个模型事件,求出电压的状态转移概率矩阵,得出电源电压变化过程是一个具有马尔科夫特性的随机过程。第二,根据著名的Kerckhoff假设,密码系统的安全性不取决于算法的安全性,而取决于密钥。因此,借助车载电源电压连续变化的随机特性,设计了一种随机数提取方案。该方案为了增强序列的随机性,以多信息熵融合为初始熵源,采用小波变换进行分解与重构,过滤周期信号,并用条件最小熵来评估序列提取的安全性。接着,采用并行提取方式提高效率,利用数字后处理方法改善序列随机性。最后通过仿真实验提取随机序列,分析序列的随机性,并与现有序列Gold、Kasami比较线性复杂度,结果表明了提取的序列具备良好的随机性能。第三,为了使车内网络中ECU之间通信安全,以上述提取的随机序列作为通信密钥,设计了一种车内网络一次一密通信架构。该架构主要从身份认证、会话密钥分配和基于SM4的ECU一次一密通信三个层次对车内网络通信进行保护。经过安全性理论分析,并与现有车内网络安全通信方案对比,本方案所设计的架构不仅满足车内网络安全性需求,同时具有较低的总线负载率。