原创 | 区块链与车联网的融合应用

admin 2021年5月24日20:34:53评论133 views字数 16000阅读53分20秒阅读模式

作者 | 北京交通大学  章子

车联网(Internet of Vehicles, IoV)是由车辆自组网(Vehicular Ad-Hoc Network, VANET)和移动互联网组成的开放异构网络,通过车、路、管理平台的实时关联与感知实现交通智能化,并提供交通安全、信息娱乐等服务。IoV这一新兴的概念,被认为有助于促进智能交通系统(IntelligentTraffic System, ITS)的发展。在这一系统中,还有很多安全性方面的挑战,比如:如何保证车辆在接收到其他车辆广播的事件、路况等信息来确定其行车方案时的安全性等问题。如果存在有恶意的车辆散布虚假消息,这将对正常车辆造成严重干扰,甚至会威胁驾驶员的人身安全。因此,消息接收车辆需要了解消息发送车辆的可信度,并通过对消息发送方可信度的分析来判断消息的真实性,进一步提高人与车的安全。
提到安全性,随着区块链(Blockchain)的发展越趋纯熟,该技术去中心化及数据无法被窜改的特性日渐被认为可能颠覆人类数千年来交易基础,而结合区块链构建高安全性车联网,更是未来发展趋势之一。由区块链驱动的车联网应用被认为具有许多理想化的特性,如分散性、安全性、透明性、不变性和自动化等。区块链的出现在一定程度上能够解决车联网的问题,并且已经具有很多方面的应用。本文首先介绍IoV相关的挑战,接着阐述将区块链引入IoV的优势,其中特别强调了IoV在不同场景中的应用。

一、IoV里的挑战

由于互联网技术和车辆设备的进步,智能交通产业的发展日渐迅猛。在不久的将来,IoV不仅能丰富车辆服务、交通基础设施和人们的生活方式,同时还能提高驾驶员的安全性。但是这将会产生大量的数据。这些数据将从车辆和车辆服务外包到云和边缘计算节点进行存储,这为IoV提供创新性。未来的车辆也将拥有非常好的计算和存储资源。为了提供广泛的应用服务,这些数据和资源将相互共享。值得一提的是,针对人工智能应用,车辆通过云和边缘计算节点来进行任务卸载,从而减少延迟和带宽。

然而,融合了现有互联网技术的IoV模式面临着许多挑战[1-3],其中包括安全性、隐私、信任、透明度、连接性和性能等方面的挑战。这些挑战与智能交通系统密切相关。事实上,IoV生态系统具有许多特性,其中一部分特性与其他物联网应用相比是独特的。因此,IoV生态系统可能会面临着一系列新的挑战。下文将详细描述IoV生态系统的独特性。

高移动性:与其他物联网智能设备不同,在IoV场景中,驾驶员控制的车辆和自动驾驶车辆都被视为在道路上行驶的高度移动的物体,特别是对于手动驾驶的车辆。因此,尽管车辆具有足够的能量来部署计算和通信资源,但是当车辆与若干其他车辆相互通信时,由于速度不同且高速的移动性,不管专用信道如何,车辆将难以保持稳定的通信。所以,高移动性这一特性可能会带来其他挑战。

无线网络的复杂性:IoV生态系统依赖于多种无线技术共存的异构通信网络。在这个生态系统中,车辆通过无线网络与附近的车辆、人以及固定的路边单元相连相通。典型的通信技术有蓝牙、毫米波和专用短程通信等技术,它们支持各种无线网络相关服务。例如,蓝牙和毫米波能够分别提供小于100米和10米的覆盖范围。与这两者相反,专用短程通信技术(Dedicated Short Range Communication, DSRC)通常具有较高的通信覆盖范围。此外,车辆在行驶时会改变其网络拓扑结构。因此,网络的复杂性对IoV场景有显著的影响。

延迟敏感型应用:许多IoV应用都是需要更高效的网络协议来与附近的应用交换信息,而不是与远处的集中式云节点交换信息。事实上,这些应用通常具有延迟敏感的特性和较短的传输距离。因此,对于这些应用来说,源与目的地之间的最大延迟应该尽可能的低。对于紧急情况和安全相关的车辆应用,其通信必须在规定的时限内完成,以防止意外情况的发生。有了严格的延迟限制,IoV范式中的互联网辅助技术就不会在传输中产生不必要的通信延迟。

可扩展性和异构性:车辆在广阔地域的访问选择更为多样,可以通过路侧边缘计算节点、车载AH-Hoc网络和无线互联网技术增强其可扩展性。此外,最新信息显示使用的异构设备、协议和平台的IoV组件,有望和通信技术实现无缝融合。除此之外,IoV组件的这种异构性可能会增加实现互操作性的难度。事实上,互操作性是指IoV组件在信息使用方面相互协作的能力,以及包括软件和硬件在内的部门、中心和系统间交换信息的能力。

人工智能(AI):在许多IoV应用场景中,人工智能技术的应用将成为辅助车辆和车辆用户应对大量车辆数据的重要组成部分。从数据收集到部署的整个过程主要依赖于不同的人工智能算法,由此确保从数据中自动学习以及自主最优决策的能力。然而,由于许多人工智能算法主要依赖车辆数据来训练模型,IoV场景的动态性和异构性进一步增加了机器学习技术的执行难度。

二、区块链引入IoV的优势

区块链在大多数IoV应用场景中能够提供大量创新解决方案。大多数IoV场景是实时的和移动的,它们生成和交换大量数据。许多经典技术不能有效地适用于IoV场景。此外,在这种场景下,不断增加的通信连接可能会为造成安全漏洞。另一方面,将区块链引入到IoV不仅提高了安全性、隐私性和信任度,还提高了系统性能和自动化程度。因此,在这种场景中应该利用区块链的强大技术来提高系统灵活性和处理大量数据的能力。下文列举了在IoV场景中应用区块链技术的主要因素。

第一,去中心化是区块链的主要特征之一。区块链允许创建分布式的IoV网络,包括更多的分布式实体如RSUs、车辆和人等。同时,这些分布式实体能够独立管理自己的操作,将目前主要基于中心决策的IoV网络转化为去中心化并加以简化。去中心化的特性能够增强车辆服务的用户体验感。

第二,区块链消除了云系统对数据存储和管理的依赖。此外,区块链和智能合约允许删除第三方实体,如中央服务管理器、控制中心、管理员和可信中介等。区块链网络的参与者可以自行维护服务和交易过程,从而降低运营成本。

第三,诸如中断、单点故障和可用性攻击等安全威胁可以采用区块链技术来解决。因此,即使一个或多个节点受损,服务也能够平稳运行。另一方面,区块链技术依靠现代密码技术来确保公共安全和其隐私性。

第四,区块链为IoV服务和场景提供了强不变性,在区块链中,区块通过每个区块记录的哈希值来保持相互连接的链。区块链的这种不变性特征防止了数据的篡改和修改,并且还有助于进行准确的审计。此外,区块链还支持在智能合约的协助下部署和执行任何预定义的规则或脚本。

第五,区块链提供两个实体之间的对等(P2P)交易、共享和通信。通过P2P网络,服务请求者和提供者之间可以建立直接的通信。由于在P2P网络中,实体不需要与任何中介进行通信,因此能够实现和提供低延迟的应用和服务,有利于IoV场景下车辆与RSU之间共享数据和资源。

第六,IoV存在连接彼此不信任的实体的风险。通过新的共识机制,区块链能够在不可信的实体之间建立强大的信任关系。除了共识机制之外,智能合约在解决信任问题方面也发挥出重要作用,能够在没有任何可信实体的情况下做出决策。此外,智能合约还有助于通过其脚本实现自动化和独立的系统。

最后,公共区块链是公开的,通常对所有实体开放。因此,公共区块链的使用为存储在区块链的数据的公开访问奠定了基础,同时还可以增强IoV生态系统的透明度。

三、应用场景

3.1数据保护和管理

随着IoV应用数量的逐渐增加,IoV网络中的更多车辆将产生大量数据,以增强驾驶安全性,从而改善车辆服务。事实上,车辆将依赖于边缘计算节点(如路侧单元)来存储生成的数据并共享、管理和利用其他共享数据。然而,分布在路边的边缘计算节点容易受到安全和隐私攻击。此外,由于这些边缘节点由多个服务提供商运营,因此很难确保它们之间的监管和信任。出于上述考虑,车辆可能不愿意共享其数据。

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图1 文献[4]提出的车联网场景下基于区块链的数据共享方案

区块链技术在车辆数据管理场景的应用不仅解决安全和隐私问题,并且在边缘节点之间建立信任。例如,文献[4]的工作利用了联盟区块链,其中在车辆边缘计算网络中引入了基于区块链的分布式数据管理系统。在该系统中,智能合约的使用有两方面的优势。首先,智能合约用于实现车辆内以及车辆边缘计算服务器(如图1所示的RSU)内的数据安全共享和存储。其次,智能合约还保证了数据未经授权不被共享的特性。此外,该系统还提出了一个基于信誉的数据共享方案,使得车辆能够选择最优的、更可靠的、拥有高质量数据的数据源。为了正确和精确地管理车辆的信誉,文章考虑到交互频率、事件时间性和轨迹相似性,采用三权重主观逻辑模型。与传统的信誉机制相比,该信誉机制提高了恶意车辆和异常车辆的检测率。在同一方向,文献[5]的作者提出了一种基于区块链的车辆解决方案,称为DrivMan,它通过智能合约、物理不可克隆函数(PUF)和公钥基础设施(PKI)来实现信任管理、数据来源追溯和隐私保护。DrivMan的解决方案通过使用区块链,可以在非完全信任的网络中维护分布式信任管理。此外,PUF为每辆车分配一个唯一的加密指纹,使得DrivMan实现了数据来源的追溯。此外,公钥基础设施用于通过证书颁发机构进行注册和为车辆分配密钥对。认证机构能够追踪恶意车辆的身份,并在必要时撤销证书。公钥基础设施的目的是通过消除身份和各自公钥之间的联系来确保隐私安全和防止真实身份泄漏给攻击者。区块链还成功地应用于智能交通系统中的车辆数据安全共享。例如,文献[6]中提出了一种基于区块链和密码技术的多媒体数据共享方法,可以部署在车辆社交网络中。在这种方法中采用了区块链,利用其不变性的特性来应对恶意共享多媒体数据篡改的挑战。区块链还用于数据追踪,以检测恶意用户发送的数据。另一方面,在数据共享过程中,密码学技术被用来保护用户、车辆和路侧单元的隐私信息不被攻击者窃取。隐私泄露包括所有实体的身份和共享的习惯。这种方法的系统模型如图2所示。同时,文献[7]介绍了一种用于车辆间区块链辅助数据共享的高效且安全的方案。该安全方案的主要贡献是提出了一种具有可追溯性和认证性的新的密钥协商方案。该方案旨在解决一系列挑战,如共享数据安全、监控和信任等问题。所提出的方案提供了依赖于静态或动态脚本的自动密钥交换,以便在车辆通信中实现快速并且能自动执行的密钥协商。它还借助时间戳提供了密钥协商过程的可确认性和公共可追溯性,以防止解密失败攻击。此外,脚本、信道可用性和协商过程的及时性确保了对丢包攻击的防御。

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图2 文献[6]提出的车载社交网络基于区块链的多媒体数据共享系统模型

3.2数据和资源交易

IoV场景中的数据和资源交易为车辆和其他相关实体带来了商机。但是数据和资源交易可能会导致安全问题,如访问控制的执行和用户的隐私等问题。此外,考虑到移动性,交易场景可能容易受到DoS和类似干扰的恶意攻击。事实上,这种攻击也可能是无意的。另一个问题是如何消除恶意攻击所造成的可能性中断,以确保交易方之间的间歇性和交易的可信度。

最新的工作表明,区块链已成为解决上述问题的潜在推动技术。具体来说,区块链可以为IoV场景下多个实体之间的数据和资源交易提供安全的、对等的、去中心化的解决方案。特别地,区块链技术已经与车辆数据交易相结合,以促进端对端交易。文[8]出了一个结合区块链的IoV框架,它能够实现安全和高效的数据交易。文[8]利用区块链技术来解决数据交易的问题,如缺乏透明度和可追溯性以及未经授权的数据修改。如图3所示,该框架中的区块链是基于联盟的,其中多个本地聚合器组成一个联盟来进行交易审计和验证。此外,为了优化数据价格,在保护买卖双方隐私的前提下最大化社会福利,该方案采用迭代双拍卖机制,鼓励更多用户参与数据交易。另外,为了提高系统的稳定性,该方案还考虑了数据传输的成本。

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图3 文献[8]提出的基于联盟链的安全对等数据交易架构

此外,区块链技术已被应用于车辆资源共享。例如,文献[9]中提出了一种利用区块链提供计算资源交易平台的对等系统。该系统目的是解决基于边缘云系统的资源交易问题,如确保真实的出价并允许买卖双方的交易。为了维持交易市场,该方案中提出了经纪人的概念。在文献[9]中,分配问题将由经纪人解决。经纪人需要确定交易资源的数量,并建立特定的价格规则来鼓励交易者,以便他们提供真实的出价。为此,该方案使用了一种迭代双边拍卖机制。这样既保证了社会福利的最大化,又保证了个人理性,还平衡了预算。图4表示依赖区块链的计算资源交易的详细过程。文献[10]中提出了一个用于物联网应用的去中心化框架,称为D2D-ECN。D2D-ECN是一个基于区块链、智能合约、边缘计算和端到端通信的资源交易和任务分配的解决方案,如图5所示。D2D-ECN提出一个协作平台,在该平台上可以执行计算密集型和延迟敏感应用。此外,它通过卸载计算任务来确保处理实时应用场景的低延迟。为了平衡等待时间和决策时间,文献[10]提出了一种基于群体智能的任务分配方法。此外,它在解决资源管理的效率问题的同时,建立了资源服务提供者和任务持有者之间的信任。同时,该工作对于资源有限的设备,引入信誉证明共识机制来代替PoW(工作量证明)。该机制只允许具有较高信誉值的实体打包资源事务,并且将信誉值存储在区块链中。每个实体的信誉值通过考虑当前的计算性能和先前的历史数值来计算。在这方面,为了向参与者提供奖励,该方案还提出了基于博弈论的机制。

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图4 文献[9]提出的基于区块链的计算资源交易平台的工作流程

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图5 文献[10]提出的基于区块链的资源交易解决方案的工作流程

3.3资源共享

IoV为共享车辆资源平台带来了新的机遇。该平台能够与地理位置邻近的实体共享其空闲计算资源和频谱资源。这不仅有助于实现延迟敏感的性能,而且还支持人工智能应用。然而该平台仍存在两个问题。其中一个问题是,由于车辆之间可能存在不信任的情况,这样的平台是很难开发和维护。但在区块链的协助下,可以在车辆共享资源的同时确保信任。另一个问题是如何通过结合经济利益开发适当的机制,从而鼓励更多车辆参与资源共享。

特别地,区块链能够支持一个去中心化的平台,使车辆能够在其他车辆之间共享资源,以提高效率和性能。而且区块链可以解决资源共享中的问题,如在建立信任的同时确保实体的安全和隐私。文献[11]提出了一种区块链辅助的资源共享方案。在该方案中,该文献还提出了一种基于信誉的共识机制,该机制相对于当前流行的PoW(工作量证明)来说是轻量级的,可用于建立信任并降低对计算量大的挖掘过程的依赖性。在该机制中,信誉值表示车辆的可信任值。在信任管理方面,共享过程和上述提出的共识机制与车辆的信誉值结合在一起。此外,该方案依赖于维护共享记录的路侧单元和区块链。除此之外,文献[11]还提出了一种基于智能合约的资源定价机制。该资源定价机制采用了深度强化学习技术,通过考虑车辆的高移动性特征和位置,在共享资源的同时还促进供需匹配。该资源共享定价方案比现有的定价方案相比至少能提高30%。其次,在该方案中,参与资源共享的车辆和区块验证器保持分离,以保护车辆的隐私并减少发布新区块的通信延迟。图6描述了IoV资源共享方案的系统组成和基本工作流程。此外,在区块链技术的帮助下,即使是非移动车辆也能够在停车期间安全高效地共享其闲置的计算和网络资源。文献[12]利用区块链为车联网开发一个被许可的链,称为停车链。针对停车链,文献[12]提出了一种改进的DBFT共识机制。该机制采用多权重主观逻辑来准确计算车辆的信誉值。信誉值高的车辆将被指定为共识实体,该实体用来核实和审计交易。此外,文献[12]引入了一个激励机制,借助智能合约对车辆进行奖励。而且,安全方法和激励方案旨在激励车辆在车辆网络中共享其闲置资源。

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图6 文献[11]提出的IoV资源共享方案的系统组成和基本工作流程

3.4车辆管理

两个最受欢迎的车辆管理例子分别是智能停车和车辆编队。智能停车管理系统允许车辆用户知晓免费停车位信息以便提前预约。这种提前预约的目的是减少车辆使用者浪费的时间和减少交通拥堵。车辆编队的想法是一种将一些几乎有共同兴趣的车辆组合在一起的技术。基本上一辆有或没有驾驶员的车辆领先于其他自动驾驶汽车,所有车辆之间保持一个短的空间。领头的车辆被称为队长,而其他车辆被视为队员。然而,随着大量车辆、停车场以及路边单元的接入和管理,管理系统将变得越来越复杂。事实上,如果管理仍然依赖于中央系统,那将很难确保用户的隐私以及大规模的车辆、车辆用户和停车场所有者之间的参与。

而将区块链引入车辆管理系统可以从根本上解决上述问题。具体来说,区块链可以解决当前集中式停车系统的问题,例如在预订期间显示私人信息的同时搜索免费停车位(如目的地信息)的需求,以及集中式架构存在可用性攻击和数据泄漏的可能性等问题。文献[13]的作者介绍了一种基于区块链的方案,这样车辆驾驶员能够以分散和隐私保护的方式搜索可用的停车位来提前预订停车位。该方案利用了区块链概念来消除集中式系统的问题。其中,互不信任的停车场所有者组成一个联盟来维护区块链,比如发送他们的停车报价和信息等。然后,这些停车报价将作为记录保留在区块链中。除了区块链,私人信息检索(PIR)技术也用于确保车辆驾驶员的位置隐私。PIR技术允许司机查询区块链网络中的停车报价,而无需透露他们想去的目的地。一旦从区块链网络中查找到停车报价,司机使用一个简短的随机签名,以匿名方式直接与停车所有者确认预订。而且,这种随机化签名确保了有条件的隐私,使得可信机构能够揭示司机的真实身份,以便在发现恶意活动的情况下采取必要的行动。此外,该文还设计了一个匿名支付系统。在此匿名支付系统中,司机可以进行安全支付,而使用传统的卡支付系统可能会透露敏感信息。

此外,由于其开放性、去中心化和安全性等特性,区块链能够加快车辆编队管理。例如,文献[14]提出了一个由区块链辅助的城市智能车辆模型。该模型使自动驾驶汽车(AVs)可以建立一个称为车辆编队的组,从而促进自动驾驶和交通智能化。编队的主要目的是使用卡车进行长距离货物运输,其优点是减少空气摩擦,从而节省燃料。在该文献中,因为卡车属于同一家物流公司,所以不需要付款。为了创建一个编队,该模型采用路径信息匹配的方法,只对被选择的AVs进行匹配。队员AVs由队长驱动,队长通过计算信誉值来选择。此外,该模型还提出了一个有效的激励方案。该方案负责激励AVs成为队长,同时保存队员的最新记录。该模型应用区块链和智能合约可以解决虚假和恶意支付问题,并提供队长和队员车辆之间的安全支付。一个编队的队员将根据合约向队长支付一定的费用。图7说明了该模型的基本工作流程。

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图7 文献[14]提出的队列模型的组件和基本工作流程

3.5乘车共享

由于出行越来越便利,拼车服务日益流行,如知名服务提供商Uber。人们利用拼车服务可以共享一辆车去同一个目的地。尤其是在繁忙时间,几个人共用一辆车能缓解交通拥堵,降低车辆的碳排放和减少道路上的车辆数量。因此,它也提高了城市地区车辆的移动性。此外,预计未来的自动驾驶汽车也将成为其中的一部分来推动拼车服务。这种共享通常被称为按需的交通服务。随着智能手机及其应用的进步,这种服务越来越便捷。尽管拼车服务有明显的好处,云辅助的拼车服务还有两个未解决的挑战。首先,由于集中式的云连接,可能产生不必要的通信延迟。其次,集中式存储系统有用户隐私泄露的风险并增加了隐私管理的难度。因此,为了激励车辆使用者和驾驶员共享他们的车辆,开发一种高效、安全和隐私保护的拼车服务是必要且急迫的。

最近,区块链已被应用于上述的场景。文献[15]的作者解决了在集成传统集中式架构下为自动驾驶汽车实现车辆共乘平台的难题。作者开发了一个结合区块链的去中心化拼车框架,使自动驾驶车辆能够在社区驾驶的车队中独立发挥作用。该框架专门开发乘客和自动驾驶车辆之间的平台,增加了关于骑行价格和利润分享的灵活性。该框架利用了区块链的优势,可由一起工作的自动驾驶汽车所有者共同维护,并且在不信任的节点之间建立信任。最重要的是,该框架使用Hyperledger Fabric区块链平台和链码协议,在客户端应用程序与区块链网络连接时确保数据安全。同时,文献[16]提出了另一种新的基于区块链的拼车模型,称为“CoRide”。该服务模型的主要贡献有: ( 1 ) 引入了一个基于区块链、智能合约、权益证明(PoS)和RSU的去中心化拼车模型;( ) 不同的服务提供商能够合作提供服务;( ) 解决了由服务提供商集中进行隐私保护的乘客和车辆匹配的局限性问题;( ) 将不同服务提供商的所有孤立的乘客数据集汇集在一起;( ) 消除了传统在线可信方的依赖性;( 6 ) 能够确保乘客的有条件隐私,一旦所有服务提供商都在场,就公布特定乘客的身份;( ) 能够防御虚假定位攻击、恶意路侧单元和服务提供商潜在的冲突。因为CoRide将多个服务提供商整合到一个平台中,所以联盟区块链适用于该模型。其中,私有邻近测试用于验证乘客的位置,通过设置私钥来匹配和协商乘客。此外,该模型还采用隐私保护查询处理来搜索车辆和匹配目的地。该模型基于智能合约,能够强制RSUs自动匹配乘客与司机。除此之外,最近流行的加密货币Zerocash被修正,用于在用户、司机和服务提供商之间进行匿名支付。

此外,区块链还集成了拼车系统,在确保隐私的同时为用户提供高效共享车辆。例如,文献[17]中介绍了一种区块链和雾计算结合的拼车系统。这种拼车方案称为FICA(高效和隐私保护拼车)。FICA有五个实体,分别是可信方、用户、司机、雾节点和云服务器。首先,可信方通过为实体生成公共参数和密钥来初始化整个系统。其次,想要与其他用户拼车的用户向附近的雾节点发送拼车请求。该请求主要由一个伪标识、一个密钥和一个加密的下车位置组成。另一方面,驾驶员从雾节点接收用户发送的请求,并向该雾节点发送带有空闲座位信息的响应。驾驶员的响应由一个伪身份、多个加密下车位置和一些位置证明组成。随后,雾节点分别从用户和司机收集请求和响应,并验证用户和司机的身份,检查数据的完整性,帮助用户与附近的司机匹配。最后,云服务器将接收相关的拼车数据。云服务器的职责是收集来自不同雾节点的所有请求和响应,通过回复车辆交通的查询来支持雾节点,并监控交通状况。该方案利用雾节点来解决云计算的局限性。尽管雾计算节点与云平台直接相连,由于用户经常搜索司机,所以存在请求及响应时间延迟和额外的通信开销的问题。在FICA方案中,用户和司机通过匿名认证技术进行认证,以确保云节点和雾节点的隐私。匿名身份验证还提供了有条件隐私,因此恶意用户的身份可以由可信机构恢复。此外,FICA方案还分别通过使用私有邻近测试和范围查询技术提供一对一匹配和目的地匹配。特别地,该方案基于权益证明开发了一个专用区块链,并由雾节点进行相关的维护。该区块链系统旨在将拼车记录存储在可验证的分类账本中,从而确保数据的可审计性。这个专用区块链和可信的一方能获得可靠的拼车记录,并且避免用户的任何恶意活动。

3.6内容广播

车联网中的内容广播旨在完善车内服务和安全服务。这些服务能够提供多种多样的功能应用,如广告发布、网上购物、推广商业产品、娱乐服务和紧急信息通知等。此外,边缘计算节点(如RSUs)可以通过缓存热门内容、向附近的车辆广播内容、减少延迟来支持车辆服务,从而增强车辆用户的体验乐趣。值得一提的是,区块链在利用V2V和V2I通信实现车辆之间的P2P内容共享和广播方面具有巨大潜力。事实上,区块链辅助的p2p模型可以确保IoV有一个高效、低价、值得信赖的平台。此外,为了加速内容的广播,区块链还可以开发新的奖励机制。

最近,区块链已应用于车辆内容广播场景。例如,文献[18]中的工作侧重于商业广告发布,允许用户通过V2V或V2I在车辆网络中推广他们的产品。该文提出了一种基于区块链的分布式广告发布方案,以实现安全性、隐私性和公平性。该方案还利用了智能合约、Merkel Tree和零知识证明技术。其中,智能合约和Merkel Tree负责通过实现“广告接收证明”来维护广告商和车辆之间的公平性。该方案引入广告接收证明的概念,来确认车辆是否在没有任何欺骗的情况下获得广告。为了降低欺骗广告商行为的可能性,这一概念将会对广告发布者的恶意行为进行多次惩罚。另一方面,在匿名性和条件链接性方面,广告发布过程采用零知识证明技术保护车辆的隐私。特别地,该区块链辅助去中心化方案通过防止外部DDOS攻击以及内部单点故障/损害来提高服务可用性。文献[19]提出了一种基于区块链、边缘计算和5G的事件驱动消息(EDM)协议,并用于车载应用场景。EDMs是不同类型的传统消息,仅用于紧急警告通知。而这些消息通常在任何事故或紧急情况下产生。本方案中区块链应用保证了EDMs的分布式存储和可审核性。为了减少响应时间,本方案采用边缘计算对EDM进行本地处理。此外,该文认为5G通信可以为车辆提供可扩展性和低延迟服务。另外,该方案利用轻量级、高效和无配对的多接收者签密技术解决了高处理时间、安全性和访问控制难题。

3.7交通控制和管理

车辆生成的信息将使交通管理更为便捷,如共享交通数据、事故事件等。充分利用这些信息可以为智能交通系统带来更多机遇,例如动态管制交通、监控交通状况和缓解交通拥堵等。然而,这些应用场景都需要安全级别更高的控制和管理。由此,安全性的保障显得愈发重要。在现实生活中,将车辆的相关行驶数据从移动车辆传输和存储到固定的路边单元可能容易受到安全攻击,其中包括破坏数据可用性、完整性和隐私。而另一个具有挑战性的问题是如何开发一个自主的交通控制与管理系统。

针对上述问题,区块链作为一个解决方案,支持四个方面,即分散管理,可用性,自动化和不变性。文献[20]中引入了半集中式交通信号控制方法,称为SCTSC。该系统支持自动切换交通信号。这是一个新兴的IoV应用,可以提高当前的交通运输效率。该系统从车辆传感器和司机收集行驶数据。与目前流行的预定时模式相比,该文献所提出的方法通过采集行驶数据来动态管理和控制交通灯。该系统采用了基于属性的加密技术(ABE)和区块链技术。其中,ABE技术确保交通相关数据中的访问控制安全,并根据车辆的属性(如位置和目的地) 将车辆分组。因此该系统在效率和车辆通过率指标上比预定时方法更优。另一方面,区块链使车辆能够通过投票过程达成共识,在投票过程中他们决定信号灯的时间。随后,协议和决定的结果将被保存在区块链上。在该文中,为了保持用户的隐私,车辆通过匿名进行相互通信。同时,为了实现智能交通,文献[21]提出了一种智慧交通系统。该系统采用区块链技术,将物联网连接的传感器节点部署在车辆中。此外该文还提出了一种信用令牌方法,以便车辆能够支付服务使用和滥用的费用。与其他系统相比,应用区块链能够减少交通拥堵,提高道路安全。

3.8取证应用

协助数字取证是区块链未来的应用之一。IoV中的取证主要是对交通事故进行分析,尤其是自动驾驶车辆。在发送交通事故的情况下,区块链将各方数据聚集在一起自主通过智能合约计算事故后的延误,并将所有与事故相关的数据作为记录保存。文献[22]中提出了一个叫Block4Forensic 的综合车辆取证框架,该框架使用区块链和车辆公钥基础设施(VPKI)技术。Block4Forensic框架为调查车辆事故提供取证服务。在这个框架中,区块链将车辆、路边单位、车辆制造商、保险公司和警察机构汇集到一个公共平台中,如图8所示,其中证据和其他相关数据被收集并保存在区块链。该文提出分段分布式分类账和共享分类账技术,分别来存储哈希数据和详细的车辆相关数据。其中,共享分类账能减少存储和处理开销。另一方面,该文通过采用了VPKI技术来保证会员编制。此外,该框架允许车辆通过使用假名保护其身份,以此避免未授权用户的攻击。文献[23]提出了一种新的基于区块链、智能合约和软件定义网络(SDN) 的架构,以实现数字取证和数据溯源。该架构旨在解决集中式取证管理的局限性问题,例如其完整性和可靠性。为了提高取证数据管理的完整性和可靠性,该框架利用区块链来存储和收集数字证据。而且该架构还考虑了云计算应用。一旦云接收到证据,SDN 控制器就将其记录为一个区块。这种体系结构以现代密码技术为基础。例如,它不仅利用安全环进行身份验证来确保用户的授权访问,还利用椭圆曲线加密机制(ECC) 来实现数据机密性。除此之外,区块链还通过模糊智能合约来追踪数据来源。

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图8 文献[22]中提出的基于区块链的互联车辆取证模型

四、结束语

本文分别从车联网的高移动性、无线网络的复杂性、延迟敏感性、可扩展生和异构性及AI发展入手,介绍了车联网面对的各种挑战。然后,本文阐述了将区块链引入车联网的优势。最后,本文还依次介绍了区块链与车联网融合的应用场景,例如:数据管理和保护、数据和资源交易、资源共享、车辆管理、乘车共享、内容广播、交通控制和管理和取证应用等场景。

参考文献:
[1] A. Chattopadhyay, K.-Y. Lam, and Y.Tavva, “Autonomous vehicle: Security by design,” IEEE Transactions onIntelligent Transportation Systems, 2020.
[2] D. A. Hahn, A. Munir, and V. Behzadan,“Security and privacy issues in intelligent transportation systems:Classification and challenges,” IEEE Intelligent Transportation SystemsMagazine, 2019.
[3] W. Li and H. Song, “Art: Anattack-resistant trust management scheme for securing vehicular ad hocnetworks,” IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 17,no. 4, pp. 960–969, 2015.
[4] J. Kang, R. Yu, X. Huang, M. Wu, S.Maharjan, S. Xie, and Y. Zhang, “Blockchain for secureand efficient data sharing in vehicular edge computing and networks,” IEEEInternet of Things Journal, 2018.
[5] U. Javaid, M. N. Aman, and B. Sikdar,“Drivman: Driving trust management and data sharing in vanets with blockchainand smart contracts,” in 2019 IEEE 89th Vehicular Technology Conference(VTC2019-Spring). IEEE, 2019, pp. 1–5.
[6] K. Shi, L. Zhu, C. Zhang, L. Xu, and F.Gao, “Blockchain-based multimedia sharing in vehicular social networks withprivacy protection,” Multimedia Tools and Applications, pp. 1–21, 2020.
[7] Y. Chen, X. Hao, W. Ren, and Y. Ren,“Traceable and authenticated key negotiations via blockchain for vehicularcommunications,” Mobile Information Systems, vol. 2019, 2019.
[8] C. Chen, J. Wu, H. Lin, W. Chen, and Z.Zheng, “A secure and efficient blockchain-based data trading approach forinternet of vehicles,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 68, no.9, pp. 9110–9121, 2019.
[9] Z. Li, Z. Yang, and S. Xie, “Computingresource trading for edgecloud-assisted internet of things,” IEEE Transactionson Industrial Informatics, 2019.
[10] G. Qiao, S. Leng, H. Chai, A. Asadi,and Y. Zhang, “Blockchain empowered resource trading in mobile edge computing andnetworks,” in ICC 2019-2019 IEEE International Conference on Communications(ICC). IEEE, 2019, pp. 1–6.
[11] H. Chai, S. Leng, K. Zhang, and S.Mao, “Proof-of-reputation basedconsortium blockchain for trust resource sharingin internet of vehicles,” IEEE Access, vol. 7, pp. 175 744–175 757, 2019.
[12] S. Wang, X. Huang, R. Yu, Y. Zhang,and E. Hossain, “Permissioned blockchain for efficient and secure resourcesharing in vehicular edge computing,” arXiv preprint arXiv:1906.06319, 2019.
[13] W. A. Amiri, M. Baza, K. Banawan, M.Mahmoud, W. Alasmary, and K. Akkaya, “Privacy-preserving smart parking system usingblockchain and private information retrieval,” arXiv preprint arXiv:1904.09703,2019.
[14] T. Xiao, T. Qiu, N. Lv, Q. Pei et al.,“Smart-contract based economical platooning in blockchain enabled urbaninternet of vehicles,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2019.
[15] R. M. Shivers, “Toward a secure anddecentralized blockchain-based ride-hailing platform for autonomous vehicles,”Ph.D. dissertation, Tennessee Technological University, 2019.
[16] M. Li, L. Zhu, and X. Lin, “Coride: Aprivacy-preserving collaborative ride hailing service using blockchain-assistedvehicular fog computing,” in International Conference on Security and Privacy inCommunication Systems. Springer, 2019, pp. 408–422.
[17] M. Li, L. Zhu, and X. Lin, “Efficientand privacy-preserving carpooling using blockchain-assisted vehicular fogcomputing,” IEEE Internet of Things Journal, vol. 6, no. 3, pp. 4573–4584,2019.
[18] M. Li, J. Weng, A. Yang, J.-N. Liu, andX. Lin, “Toward blockchain based fair and anonymous ad dissemination invehicular networks,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 68, no.11, pp. 11 248–11 259, 2019.
[19] L. Nkenyereye, B. Adhi Tama, M. K.Shahzad, and Y.-H. Choi,“Secure and blockchain-basedemergency driven message protocol for 5g enabled vehicular edge computing,”Sensors, vol. 20, no. 1, p. 154, 2020.
[20] L. Cheng, J. Liu, G. Xu, Z. Zhang, H.Wang, H.-N. Dai, Y. Wu, and W. Wang, “Sctsc: A semicentralized traffic signalcontrol mode with attribute-based blockchain in iovs,” IEEE Transactions onComputational Social Systems, vol. 6, no. 6, pp. 1373–1385, 2019.
[21] Q. Ren, K. L. Man, M. Li, B. Gao, andJ. Ma, “Intelligent design and implementation of blockchain and internet ofthings–based traffic system,” International Journal of Distributed SensorNetworks, vol. 15, no. 8, p. 1550147719870653, 2019.
[22] M. Cebe, E. Erdin, K. Akkaya, H. Aksu,and S. Uluagac, “Block4forensic: An integratedlightweight blockchain framework for forensics applications of connectedvehicles,” IEEE Communications Magazine, vol. 56, no. 10, pp. 50–57, 2018.
[23] M. Pourvahab and G. Ekbatanifard,“Digital forensics architecture for evidence collection and provenancepreservation in iaas cloud environment using sdn and blockchain technology,”IEEE Access, vol. 7, pp. 153 349–153 364, 2019.



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  • 本文由 发表于 2021年5月24日20:34:53
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