车联网(IoV,Internet of Vehicles)作为物联网在智能交通领域的重要分支,融合了多学科和技术体系,将车-路-网连接成为一个有机整体,实现车与车,车与人,车与基础设施以及车与云服务器的智能协同和交互。随着5G移动通信技术的应用,IoV不断向智能化和网联化方向推进,多网络融合、主动的信息提供和车辆控制等成为车载单元(OBU,On Board Unit)在汽车辅助驾驶设计理念和相关技术的发展趋势。然而,传统的车内网一直被视为一种绝对安全的闭式网络,一旦允许外部网络和设备接入,将会引入重大的信息安全问题,严重威胁到IoV通信的机密性以及驾驶员的生命安全。本文针对车内网、终端直通(D2D,Device-to-Device)通信网络、专用短程通信(DSRC,Dedicated Short Range Communications)以及蜂窝网路等多网络接入与融合引发的安全问题,综合分析了现有的车内网和OBU安全方案存在的不足,旨在研究一种安全可靠的OBU及通信方案,防止车辆被非法控制,并提高多网络交互的安全性。本文的主要研究工作概括为:(1)提出了一种面向车联网三级安全架构的新型OBU(NOTSA,Novel OBU with Three-level Security Architecture for Internet of Vehicles)。本方案针对车辆攻击模型,以及基于ISO 13335 GMITS标准的安全威胁评估,设计了多级安全区,部署了三层安全防护机制。在此基础上,构建了硬件仿真平台,验证了NOTSA设计方案的可行性。此外,基于可靠性框图(RBD,Reliability Block Diagrams)的可靠性分析,以及多种方案的实验分析和对比,体现了NOTSA拥有更高的可靠性。(2)基于NOTSA提出了多级安全协议。该协议包括外部网络和设备的强安全认证、多处理器认证和硬隔离,综合考虑了时间和内存开销,适用于硬件资源受限的设备。此外,基于有限状态机(FSM,Finite State Machine)验证了协议的正确性,并通过证明分析了所提方案的安全性。在理论分析的基础上,利用构建的硬件仿真平台,进一步评估了方案的性能,表明多级安全协议可实现对NOTSA更好的安全性防护。(3)基于NOTSA提出了安全协作通信方案。在5G车载异构网络通信背景下,该方案实现了基于IEEE 802.11p标准的DSRC、基于D2D的V2V(D2D-V,D2D-based Vehicle-to-Vehicle)通信网络和蜂窝网络等异构网络之间的协作通信。考虑到异构网络中存在的窃听问题,基于随机几何理论和物理层安全技术,提出了协作通信的模式选择和优化算法,进一步提高了多网络接入和信息传输的安全性。仿真结果与理论分析验证了方案的可行性,同时与IEEE 802.11p标准的DSRC和贪婪的D2D通信方案相比,该方案更加安全可靠。