任條娟 鄭佳瑩 陳友榮 陳秋霞 劉半藤

（1.常州大學(xué)，常州 213164；2.浙江樹人大學(xué)，杭州 310015）

主題詞：區(qū)塊鏈 車聯(lián)網(wǎng) 共識機制 安全通信模型

1 前言

車聯(lián)網(wǎng)是智能網(wǎng)聯(lián)車輛的核心技術(shù)之一。在車聯(lián)網(wǎng)中，車輛節(jié)點定期向周圍的節(jié)點廣播其當(dāng)前位置、速度和加速度等信息，但這種方式對車輛數(shù)據(jù)安全構(gòu)成潛在威脅。現(xiàn)有的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)都是中心化的，一旦中心化實體被攻擊，將會帶來嚴重的數(shù)據(jù)安全風(fēng)險，造成身份、位置等隱私泄露。且隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)量劇增，中心實體負載過大，面臨著單點故障的風(fēng)險。同時，車聯(lián)網(wǎng)的高移動性、易變性等特質(zhì)給車輛通信系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種完全分布式的公共數(shù)據(jù)庫或分類賬，具有去中心化、透明性、防篡改等特點，因此國內(nèi)外學(xué)者提出將區(qū)塊鏈技術(shù)引入車聯(lián)網(wǎng)。如：文獻[1]根據(jù)數(shù)據(jù)類型設(shè)計了不同功能的獨立區(qū)塊鏈，提出了車輛區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)向外傳輸?shù)哪Ｐ?。文獻[2]提出了基于許可的區(qū)塊鏈模型，管理所收集的車輛相關(guān)數(shù)據(jù)。文獻[3]增加獎勵機制，并提出一種半分布式對等計算（Peer to Peer，P2P）網(wǎng)絡(luò)模型。文獻[4]提出了一種基于區(qū)塊鏈的安全數(shù)據(jù)共享模型，鼓勵車輛廣播公告消息和生成區(qū)塊。部分學(xué)者以聯(lián)盟鏈為基礎(chǔ)，將車輛的存儲和計算轉(zhuǎn)移至路側(cè)單元（Road Side Unit，RSU）。文獻[5]開發(fā)了一種P2P 數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，公開審計和存儲共享數(shù)據(jù)及其共享記錄。文獻[6]提出了一種基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全共享和存儲系統(tǒng)。文獻[7]實現(xiàn)了開放環(huán)境下自動駕駛云控服務(wù)及相關(guān)數(shù)據(jù)的安全共享。部分學(xué)者將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)劃分區(qū)域。文獻[8]將車聯(lián)網(wǎng)劃分為若干個區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)定一條公有鏈，提出了一種區(qū)塊鏈分支算法。文獻[9]、文獻[10]以城市為單位，將車聯(lián)網(wǎng)設(shè)計為一個聯(lián)盟鏈，實現(xiàn)各城市車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟鏈之間的數(shù)據(jù)交換。

本文針對存儲維護困難、通信效率低、實時處理困難等問題，提出一種基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)安全 通 信 模 型（Date Security Communication Model，DSCM），包括區(qū)塊鏈設(shè)計、節(jié)點身份認證、改進動態(tài)實用拜占庭容錯共識算法、車輛安全通信方法等。根據(jù)數(shù)據(jù)的緊急程度，將數(shù)據(jù)分成普通數(shù)據(jù)和緊急數(shù)據(jù)。考慮到車輛節(jié)點的運動情況，提出一種改進實用拜占庭容錯共識算法。

2 車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全通信模型

本文以車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)為基礎(chǔ)，借助區(qū)塊鏈的思想設(shè)計了安全通信模型，包括區(qū)塊鏈設(shè)計、節(jié)點身份認證、改進動態(tài)實用拜占庭容錯共識算法和車輛安全通信方法。

如圖1 所示，車聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈由車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟鏈和1 個公鏈組成。考慮通信基站的部署，將整個車聯(lián)網(wǎng)劃分成蜂窩式區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)定1 條區(qū)塊鏈，這些區(qū)塊鏈共同組成車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟鏈，其中車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟鏈由各區(qū)域中所有的通信基站和車輛節(jié)點等車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點組成。同時，所有通信基站（5G）和路側(cè)單元等車聯(lián)網(wǎng)的邊緣側(cè)設(shè)備統(tǒng)稱為邊緣節(jié)點。車聯(lián)網(wǎng)中所有邊緣節(jié)點作為共識節(jié)點組成車聯(lián)網(wǎng)公鏈，實現(xiàn)各區(qū)域間緊急數(shù)據(jù)的共享。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信原理

本文將車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分為普通數(shù)據(jù)和緊急數(shù)據(jù)。普通數(shù)據(jù)包含車輛的基本安全數(shù)據(jù)，在所在區(qū)域內(nèi)的車輛之間傳輸。緊急數(shù)據(jù)包含交通事故、道路擁堵狀態(tài)等特殊信息，在區(qū)域之間傳輸，通過車路通信和云計算的分布式廣播，實現(xiàn)全范圍內(nèi)的消息共享。但是仍需要解決以下問題：一是如何設(shè)計普通數(shù)據(jù)和緊急數(shù)據(jù)的區(qū)塊結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)、節(jié)點身份認證方式等，并實現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)真實性和完整性的驗證；二是如何有效地實現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)的共識，剔除惡意節(jié)點，提高共識效率，縮短共識時間；三是如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全通信。

2.1 車聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈設(shè)計

2.1.1 區(qū)塊設(shè)計

邊緣節(jié)點分布式記錄、存儲路況信息，每個邊緣節(jié)點都會存儲聯(lián)盟鏈上所有的數(shù)據(jù)，即使網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點遭受攻擊，也不會對數(shù)據(jù)造成任何威脅，從本質(zhì)上解決了中心化模式下數(shù)據(jù)存儲不安全的問題。

圖2所示為主鏈中的區(qū)塊結(jié)構(gòu)，區(qū)塊主要分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體2個部分。區(qū)塊頭中：時間戳表示區(qū)塊產(chǎn)生的時間；有效時間表示該區(qū)塊的有效期限；當(dāng)前區(qū)塊的哈希值表示整個區(qū)塊數(shù)據(jù)的哈希值；父區(qū)塊哈希值表示上一個區(qū)塊的哈希值；默克爾樹根哈希值表示區(qū)塊體內(nèi)存儲的所有車輛交易信息的根哈希值。區(qū)塊體由交易數(shù)據(jù)塊組成，交易數(shù)據(jù)塊由多個數(shù)據(jù)塊（例如圖中D1～D4）構(gòu)成，計算每個數(shù)據(jù)塊哈希值（例如圖中H1～H4、H12、H34），最終計算整個交易區(qū)塊體的默克爾樹根（H1234）。每個數(shù)據(jù)塊中可存儲10 條車輛數(shù)據(jù)條目（Item），每個區(qū)塊的大小不超過1 MB。這種區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使得鏈上每個區(qū)塊的信息都可以由前驅(qū)節(jié)點追溯，并影響后繼節(jié)點的信息構(gòu)成，由密碼學(xué)方法保證了惡意攻擊無法篡改信息，確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

圖2 區(qū)塊結(jié)構(gòu)

2.1.2 數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)

如圖3所示，為了保證記錄內(nèi)容可信、未篡改，模型記錄所有數(shù)據(jù)的哈希值并采用分層結(jié)構(gòu)存儲。其中，數(shù)據(jù)塊（Data Block）由1個數(shù)據(jù)頭信息和多個數(shù)據(jù)條目組成。數(shù)據(jù)頭信息包含時間戳和數(shù)據(jù)塊的哈希值，可減少校驗的計算成本，有利于數(shù)據(jù)塊在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中傳播。每一個數(shù)據(jù)條目中都包含了時間戳t、數(shù)據(jù)所有者公鑰Pk、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)哈希（Hash）。其中，元數(shù)據(jù)為普通數(shù)據(jù)或緊急數(shù)據(jù)：普通數(shù)據(jù)包括車輛的位置、速度、方向、制動狀態(tài)、有效時間等車輛自身基本安全信息；緊急數(shù)據(jù)包括交通事故、道路擁堵狀態(tài)、實時路況、有效時間等特殊信息。每條數(shù)據(jù)的大小不超過1 KB。根據(jù)前面3個信息，計算和存儲本條數(shù)據(jù)的哈希值，方便其他節(jié)點的哈希校驗，從而加快節(jié)點對區(qū)塊的校驗速度，減少搜索空間。

圖3 數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)

2.1.3 節(jié)點數(shù)據(jù)更新

由于區(qū)塊鏈具有無限冗余的特性，每個節(jié)點都備份了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的所有信息，消耗大量功率，這在車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下難以運行和維護。且車輛通信期間會生成大量數(shù)據(jù)，需要大型數(shù)據(jù)服務(wù)器長時間管理和存儲數(shù)據(jù)。因此，根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的實時性和移動性，在每個區(qū)塊鏈節(jié)點上，都只備份當(dāng)前區(qū)域內(nèi)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。當(dāng)車輛節(jié)點從一個區(qū)域移動到另一個區(qū)域時，刪除在原有區(qū)域的區(qū)塊鏈信息，并更新下載當(dāng)前區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊鏈信息和數(shù)據(jù)。車輛節(jié)點存儲量達到閾值后，則從頭開始判斷區(qū)塊的有效期。如圖4所示，如果區(qū)塊鏈中有區(qū)塊過期，則刪除整個區(qū)；如果區(qū)塊鏈中區(qū)塊未過期而內(nèi)存不足，為保護區(qū)塊的完整性和真實性，先刪除該區(qū)塊的數(shù)據(jù)，只保留區(qū)塊的哈希值。

圖4 節(jié)點數(shù)據(jù)更新

2.1.4 數(shù)據(jù)包格式

車輛發(fā)送的數(shù)據(jù)包含數(shù)據(jù)所有者公鑰Q、元數(shù)據(jù)m、數(shù)字簽名S、數(shù)據(jù)哈希值h(m)（SHA256）、時間戳t。如表1所示，應(yīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包為Msig{Q|S|t|m|h(m)}。

表1 數(shù)據(jù)格式

2.2 節(jié)點身份認證

用戶的身份驗證和隱私是車聯(lián)網(wǎng)中的2 個重要問題，本文采用一種基于云服務(wù)器和區(qū)塊鏈的節(jié)點身份認證方案。如圖5 所示，車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點（車輛節(jié)點和邊緣節(jié)點）在啟動加入網(wǎng)絡(luò)前，發(fā)送注冊請求給負責(zé)證書簽發(fā)的認證中心（Certificate Authority，CA）。云服務(wù)器負責(zé)存儲和管理節(jié)點的出廠信息和真實身份，方便節(jié)點注冊時進行身份驗證，并管理CA 頒發(fā)的節(jié)點假名。當(dāng)節(jié)點在具有真實身份的系統(tǒng)中注冊后，可獲得由CA 頒發(fā)的包括假名、一對公私鑰和2 個哈希值的證書。在CA 為節(jié)點頒發(fā)的證書中，隱藏了節(jié)點的真實身份，可以保護節(jié)點的隱私，并可根據(jù)假名+公鑰的哈希值和真名+證書的哈希值追蹤惡意節(jié)點。

圖5 節(jié)點身份認證

車輛節(jié)點可從一個區(qū)域快速移動到另一個區(qū)域，為移動節(jié)點。新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點稱為新生節(jié)點。考慮到車輛的移動性，通過隨機組成的隨時間動態(tài)變化的驗證組成員，快速驗證新生節(jié)點和移動節(jié)點的證書。其中，驗證組成員由所有區(qū)域內(nèi)隨機挑選的數(shù)量為M的邊緣節(jié)點和數(shù)量為N的移動節(jié)點組成。其中，已經(jīng)入選成為驗證組成員的節(jié)點在下次隨機組合過程中將不會被考慮，直到所有可能的組合都遍歷過。

在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點會在其通信列表中保存一定時間內(nèi)通信過的節(jié)點信息，該列表為信任列表。若列表中的節(jié)點信息超出時間范圍，則會被刪除。信任列表可在邊緣節(jié)點之間和邊緣節(jié)點與車輛節(jié)點之間更新。當(dāng)車輛節(jié)點移動到另一個區(qū)域時，則該節(jié)點當(dāng)前所在區(qū)域內(nèi)的區(qū)域代表節(jié)點向前一個區(qū)域及其周圍區(qū)域（不包括當(dāng)前區(qū)域）發(fā)送驗證請求。其中，驗證組中只要在1個邊緣節(jié)點或n個車輛節(jié)點的可通信列表中可查詢到該車輛節(jié)點信息，即認為通過該區(qū)域的驗證。若該車輛節(jié)點通過跨區(qū)之前所在區(qū)域的驗證，且在周圍區(qū)域（不包括當(dāng)前區(qū)域和前一個區(qū)域）中未能通過，則表明該車輛節(jié)點具有唯一性，即認為該車輛節(jié)點的身份驗證成功，可以參與數(shù)據(jù)通信。若未能滿足上述情況，則該車輛節(jié)點參與數(shù)據(jù)通信的權(quán)利被取消，一段時間后重復(fù)上述驗證過程，直到完成該車輛節(jié)點的身份驗證。車輛節(jié)點第一次加入網(wǎng)絡(luò)時，該區(qū)域的區(qū)域代表節(jié)點向其他區(qū)域的驗證組發(fā)送驗證請求，若在各個區(qū)域中都未通過驗證，則證明該車輛節(jié)點的唯一性，即認為該車輛節(jié)點的身份驗證成功，否則不能參與數(shù)據(jù)的通信。

總之，通過云服務(wù)器的身份認證和節(jié)點間的身份認證，才能允許車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進行有效的數(shù)據(jù)通信，從而減少傳統(tǒng)認證方案中對CA 的依賴，有效檢測和防止惡意節(jié)點加入，并保護節(jié)點的身份隱私。

2.3 改進動態(tài)實用拜占庭容錯共識機制

實用拜占庭容錯（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）算法提出的一致性協(xié)議、視圖切換協(xié)議和檢查點協(xié)議，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新和容錯恢復(fù)，使區(qū)塊在全網(wǎng)達成一致。相比工作量證明（Proof of work，PoW）機制，該機制不僅在效率上能滿足交易短時間內(nèi)響應(yīng)的需求，還解決了每個節(jié)點的歷史消息存儲問題，且當(dāng)惡意節(jié)點入侵時可容錯恢復(fù)。但是，由于車聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點可快速移動且實時產(chǎn)生較多的數(shù)據(jù)，需要快速達到共識。因此，在PBFT 共識機制的基礎(chǔ)上，提出由區(qū)域內(nèi)部共識機制與多區(qū)域共識機制組成的動態(tài)區(qū)域共識機制。

區(qū)域內(nèi)部共識機制在分區(qū)策略的基礎(chǔ)上，在邊緣節(jié)點中隨機確定區(qū)域代表節(jié)點，并在區(qū)域代表節(jié)點中選出主節(jié)點。主節(jié)點的選舉方法是為p=v·f(R)，其中p為主節(jié)點編號，v為視圖編號（當(dāng)前區(qū)塊數(shù)量），R為區(qū)域內(nèi)邊緣節(jié)點的總數(shù)量，f()為取余函數(shù)。其他區(qū)域代表節(jié)點作為副本節(jié)點。其中，若主節(jié)點存在惡意行為，則在副本節(jié)點中重新挑選主節(jié)點。根據(jù)主節(jié)點，區(qū)域內(nèi)部共識機制采用PBFT原有的一致性協(xié)議完成區(qū)塊共識。

多區(qū)域共識機制同樣依賴于前面各項機制。但考慮到在多區(qū)域共識機制下，參與區(qū)塊共識的區(qū)域代表節(jié)點數(shù)量遠超出區(qū)域內(nèi)部共識機制的節(jié)點數(shù)量，為提高共識機制的效率，縮短數(shù)據(jù)更新時間，簡化了一致性協(xié)議和視圖切換協(xié)議。如圖6 所示，在簡化一致性協(xié)議中，各區(qū)域的主節(jié)點組成主節(jié)點群，發(fā)送預(yù)準(zhǔn)備消息到其他區(qū)域代表節(jié)點，區(qū)域代表節(jié)點接收并處理預(yù)準(zhǔn)備消息，向主節(jié)點群發(fā)送認可消息。若主節(jié)點群收到的認可消息數(shù)量超過f2（f2為區(qū)域代表節(jié)點數(shù)量的1/3），則統(tǒng)一發(fā)送認可消息到其他區(qū)域代表節(jié)點進行驗證。若區(qū)域代表節(jié)點驗證通過，則將驗證消息發(fā)送給主節(jié)點群。若主節(jié)點群收到的驗證成功消息數(shù)量超過f2，則共識達成，并將區(qū)塊寫入車聯(lián)網(wǎng)公鏈。而簡化視圖切換協(xié)議主要針對當(dāng)主節(jié)點為惡意節(jié)點時，選取副本節(jié)點的其中一個節(jié)點取代當(dāng)前主節(jié)點，繼續(xù)完成當(dāng)前共識。該方法不僅可避免惡意節(jié)點成為主節(jié)點構(gòu)建區(qū)塊而導(dǎo)致交易延遲的風(fēng)險，而且區(qū)塊構(gòu)建效率滿足車聯(lián)網(wǎng)的需求。

圖6 簡化一致性協(xié)議

2.4 數(shù)據(jù)安全通信實現(xiàn)

考慮車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中存在普通數(shù)據(jù)和緊急數(shù)據(jù)，提出不同數(shù)據(jù)的安全通信方法。車與車之間交換車輛自身的常規(guī)數(shù)據(jù)屬于普通消息，主要通過本區(qū)域的車車通信實現(xiàn)；當(dāng)出現(xiàn)緊急數(shù)據(jù)時，需要將這些數(shù)據(jù)廣播給其他區(qū)域的車輛，則需要通過車路通信實現(xiàn)，即邊緣節(jié)點可直接將緊急數(shù)據(jù)廣播給附近的車輛節(jié)點，同時將緊急數(shù)據(jù)發(fā)送給云服務(wù)器，云服務(wù)器統(tǒng)籌并通過大數(shù)據(jù)查找其他感興趣區(qū)域內(nèi)的邊緣節(jié)點，邊緣節(jié)點再將緊急數(shù)據(jù)發(fā)送給其所在區(qū)域內(nèi)附近的車輛節(jié)點[11]。數(shù)據(jù)安全通信的流程如圖7所示。

3 模型評估

與傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)通信方案中的安全和隱私保護不同，車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)可確保數(shù)據(jù)存儲和共享期間的安全并實現(xiàn)隱私保護。聯(lián)盟區(qū)塊鏈可確保數(shù)據(jù)可追溯性，智能合約的自動執(zhí)行可保護數(shù)據(jù)安全共享。車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟鏈的分布式特征可抵御集中式數(shù)據(jù)存儲帶來的數(shù)據(jù)安全風(fēng)險。本文采用對照分析的方法評估基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)安全通信模型。如表2 所示為通信模型比較結(jié)果，與現(xiàn)有研究成果中的其他解決方案的對比，DSCM 模型基于聯(lián)盟鏈和改進PBFT，具有區(qū)域劃分、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)更新等特點，專為車聯(lián)網(wǎng)通信問題設(shè)計。現(xiàn)存車聯(lián)網(wǎng)通信安全問題及相應(yīng)解決方案如表3 所示，從安全隱私、效率、數(shù)據(jù)管理、用戶參與度等角度，分析了目前車聯(lián)網(wǎng)安全通信存在的問題，并介紹了DSCM模型中相應(yīng)的解決方案及優(yōu)勢，從而解決了隱私泄露、數(shù)據(jù)篡改、內(nèi)存冗余、用戶參與度低等問題。

圖7 數(shù)據(jù)安全通信的流程

表2 通信模型比較

4 結(jié)束語

本文借助區(qū)塊鏈技術(shù)，解決了現(xiàn)有的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中心實體負載過大和數(shù)據(jù)安全風(fēng)險高等問題。首先提出了基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)安全通信模型（DSCM），根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的實時性和移動性設(shè)計普通數(shù)據(jù)和緊急數(shù)據(jù)的區(qū)塊結(jié)構(gòu)，采用數(shù)字簽名方法驗證數(shù)據(jù)和區(qū)塊的完整性和真實性。其次，采用一種基于云服務(wù)器和驗證組的節(jié)點身份認證方案，解決用戶的身份驗證和隱私問題。接著，在PBFT 共識機制的基礎(chǔ)上，提出動態(tài)實用拜占庭容錯共識算法，保證車聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈快速共識。最后，通過與其他通信模型進行比較，說明了DSCM模型具有快速共識、數(shù)據(jù)安全、隱私保護、輕量級存儲、高效通信等特點，更適用于目前的車聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)境。

表3 現(xiàn)存車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點通信安全問題及解決方案