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区块链在车联网数据共享领域的研究进展.docx
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区块链在车联网数据共享领域的研究进展.docx
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在车联网(Internet of vehicles,IOV)中,移动车辆会不断产生大量不同类
型的数据,包括移动轨迹、交通信息和多媒体数据等附加数据,车辆之间相互通
信、交互信息、协同收集和共享数据
[1-2]
。车辆之间的数据共享对于提高驾驶安
全与增强车载服务起着至关重要的作用
[3]
。车联网利用不同的通信类型进行信
息交互,为交通参与者提供安全有效的交通信息,营造舒适、安全的驾驶环境。
若一些不法分子发布虚假信息或通信信息被攻击者控制,让其他参与者做出错
误的行驶决定,容易引发交通拥堵,甚至引发交通事故,从而导致严重的后果。因
此,如何高效、安全地利用海量的可用数据来改善驾驶体验,并在 IOV 中提供广
泛的高质量服务,成为一个亟需解决的问题。
在车联网中数据共享正面临着 4 个关键挑战。首先,存在集中式服务器单
点故障的缺陷;其次,数据提 供者越来越关注数据安全和隐私 问题,对数据上传、
存储不做任何有效的措施,容易造成隐私信息泄露;此外,数据共享缺乏有效的激
励机制
[4-5]
,目的是鼓励参与者协同收集和共享数据,并保证数据的质量;最后,还
存在未经授权访问车辆间数据共享的问题
[6]
,缺少为 IOV 网络中的用户提供访
问权限和特权,容易造成隐私信息的泄露。这些挑战都阻碍了车辆之间的数据
共享,妨碍了 IOV 的发展。
近年来,IOV 领域众多学者认为可以将区块链技术与车联网结合。首先,利
用区块链去中心化的特点,而且每个节点都备份完整的数据信息,可以弥补集中
式服务器存在的单点故障缺陷;其次,利用区块链匿名性、不可篡改和可追溯性
的技术特征,确保了数据共享的隐私性、安全性和完整性;然后,利用区块链中的
共识机制与智能合约形成有效的激励机制,对促进车辆间数据共享和保证数据
质量具有重要意义;最后,利用区块链中的加密算法形成有效的访问控制,能有效
解决未经授权访问车辆间数据共享的问题。
1 车联 网与 区块链 介绍
1.1 车联 网
车联网是利用新一代的信息通信技术将车、路、人紧密地结合实现信息交
互,从而提高交通安全,减少和预防交通事故,优化交通访问服务,提高交通运行
的效率,改善交通环境,提高安全服务和控制的大型系统网络
[7]
。IOV 将车、路、
人等不同的 实体紧密地 结合成为一 个系统,因此拥有不同种类 的通信类型 ,如
V2R(vehicle-to-roadside unit)通信、V2V(vehicle-to-vehicle)通信、V2I
(vehicle-to-infrastructure)通信和 V2P(vehicle-to-personal devices)通信,
如图 1 所示通信类型。车辆通过多样化的通信类型可以接受来自不同实体的信
息,并利用数据挖掘、深度学习等技术对其进行数据分析,进而为用户制定满意
的行程规划,营造舒适、安全的驾驶环境,提高交通服务能力
[8-9]
。
图 1
图 1 通信类型
Fig.1 Communication type
传统车联网的结构有三层,分别是感知层即数据采集层、网络层、应用层。
在文献[10]中,作者提出了 IOV 网络的七层模型。该模型提供了一个全面的框架,
用于为设备间通信提供无缝集成。然而,这项研究是基于概念模型,作者只进行
了案例研究。通过 Qureshi 等
[11]
提出的 IOV 网络的六层模型,对车联网的框架
结构有了新的理解。IOV 体系结构由六部分组成:感知层、预处理层、通信层、
控制管理层、处理层和应用层,其框架和主要结构如图 2 所示。
图 2
图 2 车联网系统架构
Fig.2 Internet of vehicles system architecture
IOV 系统架构中每层的具体描述如下:
第一层为感知层:感知层即数据采集层,通过多样化的通信模式如 V2V、
V2I、V2P 和 V2R 接受来自车辆、智能设备、路边基础设施等实体的信息,目
的是协同收集信息。
第二层为预处理层:本层主要是对数据采集层收集的数据进行过滤与预处
理,减少网络拥堵,提高数据质量。
第 三 层 为 通 信 层 : 本 层 有 如 WIFI 、 无 线 接 入 技 术 ( radio access
technology,RAT)、短 程 通 信( dedicated short range communications,DSRC)、
4G/5G 和长期演进技术(long term evolution,LTE)等多种类型的通信,数据可
以在服务器的控制下进行交换与传输。
第四层为控制管理层:本层主要是车联网的网络服务管理者。交通处理系
统(traffic handling system,THS)可以通过监控所有可用数据来处理交通事务
以及为 IOV 可持续发展政策下的未来服务提供系统。根据网络类型和场景制定
并采用不同的策略。此外,THS 还监控所有静态和移动交通数据。数据流管理
(data flow management,DFM)提供与移动 IP 相关的所有信息。采用国外和
国 内 代 理 的 基 本 概 念 来 实 现 移 动 IP 。 授 权 / 认 证 系 统 ( authorization
authentication system,AAS ) 系 统 提 供 认 证 和 授 权 服 务 。 服 务 处 理 系 统
(service handling system,SHS)为网络间的服务集成提供了一个完整的可扩
展平台。
第 五 层 为 处 理 层 : 云 架 构 提 供 各 种 服 务 , 存 储 即 服 务 ( storage as a
service,STaaS)、协作即服务(colla-boration as a service,CoaS)、计算即
服 务 ( computing as a service,CaaS ) 、 网 络 即 服 务 ( network as a
service,NaaS)、数据即服务(data as a service,DaaS)。这些服务器负责处
理从车辆节点接收的有关交通状况、交通安全、信息娱乐和订阅服务的所有数
据,并对收集到的数据进行处理与分析,提高服务质量。
第六层为应用层:本层主要包含企业与政府机构,如交通管理部门、车企、
智能应用开发商等,用于未来基础设施的开发、制定交通政策、改善道路交通
等服务。
1.2 区块 链
区块链是一种按 照时间顺序将 数据区块以链条 的方式组合形 成的特定数
据结构,并以密码学方式保证其不可篡改和不可伪造的去中心化、去信任的分
布式共享总账系统
[12]
。区块链是一种点对点网络上的分布式账本,每个节点也
都存储着完整的账本信息。每个节点都备份完整的账本信息,可以避免单节点
故障引起的数据丢失。区块链主要有私有链、公有链和联盟链三种应用模式。
区块链是利用加密
[13]
的链式区块结构来验证和存储数据,利用 P2P 网络技术
[14]
、
共识机制
[15-16]
实现分布式节点
[17]
的验证、通信以及信任关系的建立,利用智能合
约
[18]
能够实现复杂的业务逻辑功能以对数据进行自动化操作,从而形成的一种
新的数据记录、存储和表达的方法
[12,19]
。区块链的基础框架如图 3 所示。
图 3
图 3 区块链基础框架
Fig.3 Basic framework of blockchain
2 车联 网数 据共享
根据现有的研究成果,本文分析了传统车联网数据共享的缺点和局限性。
在此基础上提出了基于区块链的车联网数据共享,总结了这类共享方案对比传
统车联网数据共享方案的优点。
2.1 传统 车联 网 数 据 共享
传统车联网数据共享仍具有极其重要的作用,根据现有的研究成果,列举了
以下几个方面。
(1)安全通信。车辆必须彼此有效且安全地通信,以做出稳健的决策。然
而,今天的互联网在高效的数据传输和数据安全性方面存在不足,特别是在移动
自组织环境中。比如因为虚假数据或未经授权的控制命令可能导致车辆做出错
误决策或操纵,从而导致交通事故。Chowdhury 等
[20]
为解决虚假数据传播和车
辆跟踪的问 题,提出了一种 基于命名数据网络( named data networking,NDN)
的自主车辆信任模型,以防止未经授权的车辆或模仿其他车辆的攻击者注入虚
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