基于BlockChain的車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯春明，張永樂(lè)，于 翔

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)工程教學(xué)實(shí)習(xí)訓(xùn)練中心，天津 300387）

車(chē)聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能交通領(lǐng)域的一個(gè)重要分支.然而相比于物聯(lián)網(wǎng)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)具有一些獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)特性，其網(wǎng)絡(luò)自身安全性較低、通信隱蔽性較差，同時(shí)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的中心化模式導(dǎo)致數(shù)據(jù)被黑客侵入的風(fēng)險(xiǎn)急劇增大，在通信過(guò)程中又要求通過(guò)共享信息來(lái)優(yōu)化車(chē)輛交通系統(tǒng)，數(shù)據(jù)安全是進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用的基礎(chǔ)，因此保障車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全十分必要.車(chē)聯(lián)網(wǎng)中有兩種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型：一是預(yù)裝在車(chē)輛上的移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)，車(chē)載單元OBU；二是大規(guī)模部署在道路兩邊的基礎(chǔ)設(shè)施，路側(cè)單元RSU，而兩種節(jié)點(diǎn)之間的通信主要是無(wú)線通信[1].WAVE（wireless access in vehicular environments）作為車(chē)載自組網(wǎng)（VANET）的一種短程通信技術(shù)協(xié)議棧（DSRC），專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)無(wú)線通信[2].智能交通系統(tǒng)中的車(chē)輛通信類(lèi)型主要包括車(chē)與車(chē)之間（vehicle to vehicle，V2V）、車(chē)輛與路邊單元之間（vehicle to roadside，V2R）、車(chē)輛與便攜設(shè)備之間（vehicle to pedestrian，V2P）的通信[3].WAVE 協(xié)議棧底層使用IEEE 802.11p協(xié)議解決無(wú)線傳輸問(wèn)題.

目前，有很多學(xué)者致力于車(chē)聯(lián)網(wǎng)信息安全方面不同問(wèn)題的研究：Chim等[4]提出使用公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（public key infrastructure，PKI），在信息發(fā)送前，對(duì)信息加密和數(shù)字簽名，保證信息的完整性和認(rèn)證性；Zeadally等[5]提出在信息后附加時(shí)間戳，信息接收方對(duì)比信息附加的時(shí)間戳與當(dāng)前時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)抗重放攻擊；Varshney等[6]采用傳統(tǒng)解決方案，在信息后附加數(shù)字簽名，保證信息的不可否認(rèn)性；Shao等[7]提出一種門(mén)限認(rèn)證協(xié)議，保證節(jié)點(diǎn)身份的認(rèn)證性.這些方法雖然不同程度的解決了車(chē)聯(lián)網(wǎng)信息安全問(wèn)題，但都是基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)中心化模式下開(kāi)展的,無(wú)法保障數(shù)據(jù)中心不遭受攻擊.

針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)存在的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息安全等問(wèn)題，本文將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在車(chē)聯(lián)網(wǎng)上，區(qū)塊鏈技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)是去中心化，能夠通過(guò)運(yùn)用數(shù)據(jù)加密、時(shí)間戳和分布式共識(shí)等方法，在節(jié)點(diǎn)無(wú)需相互信任的分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基于去中心化的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易、協(xié)調(diào)與協(xié)作，從而為解決中心化機(jī)構(gòu)普遍存在的高成本、低效率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不安全等問(wèn)題提供了解決方案[8].通過(guò)去中心化的共識(shí)機(jī)制提高內(nèi)部系統(tǒng)的安全性、私密性.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在車(chē)聯(lián)網(wǎng)上，以車(chē)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建智慧交通為導(dǎo)向，借助區(qū)塊鏈的思想設(shè)計(jì)了車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng).以城市為單位，將車(chē)聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)為一個(gè)聯(lián)盟鏈[9]，聯(lián)盟鏈?zhǔn)恰岸嘀行幕钡膮^(qū)塊鏈，RSU和OBU作為聯(lián)盟鏈中的兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)，由于RSU的存儲(chǔ)計(jì)算能力強(qiáng)于OBU，所以預(yù)選取所有RSU為共識(shí)記錄節(jié)點(diǎn)，而OBU只參與數(shù)據(jù)交換，不參與共識(shí)過(guò)程.

在車(chē)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟鏈中，包括3種數(shù)據(jù)交換類(lèi)型，即車(chē)與車(chē)（V2V）、車(chē)與路（V2R）、路與路（R2R）.WAVE是車(chē)與車(chē)、車(chē)與路之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的協(xié)議，其應(yīng)用層采用SAE J2735協(xié)議作為安全消息集.在V2V、R2R數(shù)據(jù)交換過(guò)程中，為了保證信息的完整性和可驗(yàn)證性，保證節(jié)點(diǎn)間的相互信任，在信息后附加數(shù)字簽名.當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送信息時(shí)，使用自身持有的私鑰對(duì)信息進(jìn)行簽名，接收方使用發(fā)送方公鑰驗(yàn)證簽名，驗(yàn)證通過(guò)后獲取其中的位置速度等信息.本文采用橢圓曲線數(shù)字簽名算法（ECDSA）[10-11]對(duì)信息進(jìn)行簽名.

1.1 車(chē)與車(chē)數(shù)據(jù)交換

前期對(duì)車(chē)與車(chē)之間通信的路由方式進(jìn)行了研究，提出了多三角形網(wǎng)絡(luò)組播通信模型[12]，它是以一個(gè)車(chē)輛為中，與其他相鄰車(chē)輛組成多個(gè)三角形構(gòu)成的多邊形.多三角形通信網(wǎng)絡(luò)包括兩種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型：主節(jié)點(diǎn)（Host-OBU）和從節(jié)點(diǎn)（Slave-OBU），主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)是相對(duì)的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以成為主節(jié)點(diǎn)，也可以成為從節(jié)點(diǎn)，通過(guò)主從節(jié)點(diǎn)通信可以實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)之間的數(shù)據(jù)交換.多三角形網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示.

圖1 多三角形網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 MTCN model

圖1中，星形標(biāo)注車(chē)輛節(jié)點(diǎn)1和2是各自所在群的主節(jié)點(diǎn)，其他車(chē)輛均為從節(jié)點(diǎn).每個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可以與6個(gè)在其通信半徑內(nèi)與其形成多三角形網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組.車(chē)與車(chē)之間交換基本安全消息（basic safety message，BSM），BSM定義了車(chē)輛本身的信息：位置、速度、方向、剎車(chē)狀態(tài)等.車(chē)與車(chē)的數(shù)據(jù)交換過(guò)程為：①車(chē)載傳感器時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)自身狀態(tài)，并將接收到的信息用SAE J2735標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層的 WSMP（WAVE short message protocol）協(xié)議對(duì)其進(jìn)行封裝，先經(jīng)LLC層，再經(jīng)物理層以多三角網(wǎng)組播通信的路由形式發(fā)送出去.②發(fā)送出去的WSM（WAVE short message）信息在控制信道CCH上被周?chē)?chē)輛實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)周?chē)?chē)輛監(jiān)聽(tīng)到WSM消息后，將該數(shù)據(jù)包提交給相應(yīng)的程序.③相應(yīng)的程序先對(duì)WSM進(jìn)行解包，得到符合J2735標(biāo)準(zhǔn)格式的消息，然后獲取其中的位置和速度等信息，顯示在用戶界面上.通過(guò)V2V數(shù)據(jù)交換，可以輔助駕駛員安全駕駛.

1.2 路與路數(shù)據(jù)交換

1.2.1 數(shù)據(jù)交換

RSU通過(guò)傳感器收集車(chē)輛的位置速度等信息，整合其覆蓋范圍內(nèi)的交通擁堵指數(shù)（traffic congestion index，TCL），即路況信息.TCL 取值范圍為 0～10，分為5級(jí)（暢通、基本暢通、輕度擁堵、中度擁堵、重度擁堵）.RSU周期性地廣播路況信息，內(nèi)容包括：地點(diǎn)、時(shí)間、TCL信息.TCL描述如表1所示.

以北京為例，五環(huán)全長(zhǎng)98.58 km，RSU無(wú)線通信能力為1～2 km，按每2 km部署1個(gè)RSU計(jì)算，全城大概需部署150個(gè)RSU，RSU覆蓋方式如圖2所示.RSU通過(guò)有線線路（如光纖）或其他線路接入到高寬帶、低延遲、低錯(cuò)誤率的主干網(wǎng)絡(luò)，相互之間可以通過(guò)主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)單、快捷、準(zhǔn)確地信息交換或信息同步[13].路與路交換路況信息后，通過(guò)工作量證明[8]共識(shí)過(guò)程來(lái)記錄和生成區(qū)塊.

表1 交通擁堵指數(shù)Tab.1 Traffic congestion index

圖2 RSU覆蓋方式Fig.2 RSU Coverage mode

1.2.2 工作量證明

RSU將某一時(shí)間段內(nèi)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的約150條路況信息記錄在區(qū)塊體中，并且在區(qū)塊體中生成此區(qū)塊中所有路況信息的Merkle Tree[8]，把最終生成的Merkle根保存在區(qū)塊頭中，把當(dāng)前時(shí)間保存在時(shí)間戳字段中，并把其他內(nèi)容分別保存在區(qū)塊頭相應(yīng)字段中.車(chē)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟鏈區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 車(chē)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟鏈區(qū)塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Vehicle networking alliance chain block structure

區(qū)塊頭（Block_Header）內(nèi)容是工作量證明（Proof of work，Pow）的輸入字符串，其中難度值和隨機(jī)數(shù)是Pow的重要參數(shù)，難度值決定大概多長(zhǎng)時(shí)間生成一個(gè)區(qū)塊，其對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)哈希值Target，本文實(shí)驗(yàn)中選定初始Target為 0X000000FFFF…FFF（256 bit），約3 min生成區(qū)塊.將區(qū)塊頭內(nèi)容經(jīng)過(guò)雙SHA256運(yùn)算得到一個(gè)哈希值，不斷更新區(qū)塊頭中的隨機(jī)數(shù)n、Merkle根以及時(shí)間戳，最先求解出隨機(jī)數(shù)n，使得哈希值小于目標(biāo)哈希值的RSU節(jié)點(diǎn)，將獲得該區(qū)塊的記錄權(quán)，生成的目標(biāo)哈希值作為父哈希保存在下一個(gè)區(qū)塊的區(qū)塊頭中前一區(qū)塊字段中.Pow如式（1）所示：

SHA256（SHA256（Block_Header））＜ Target （1）

獲得記錄權(quán)的RSU向其他RSU廣播其打包生成的區(qū)塊，其他RSU驗(yàn)證每一條路況信息的有效性后將其加入?yún)^(qū)塊鏈的尾部，所有RSU節(jié)點(diǎn)立即開(kāi)始下一個(gè)區(qū)塊的生成工作.通過(guò)分布式共識(shí)方法可以形成統(tǒng)一完備的、不可篡改的全市路況信息的記錄，從而可以達(dá)到去中心化的目的，保證路況數(shù)據(jù)的安全性和真實(shí)性.

1.3 車(chē)與路數(shù)據(jù)交換

RSU將當(dāng)前區(qū)塊加入聯(lián)盟鏈后，向其覆蓋范圍內(nèi)的車(chē)輛廣播該區(qū)塊，OBU只需存儲(chǔ)最新的區(qū)塊即可，不必同步所有聯(lián)盟鏈數(shù)據(jù).通過(guò)V2R數(shù)據(jù)交換，駕駛員可以獲取全面可靠的全市路況信息，有效緩解擁堵.車(chē)與路邊單元數(shù)據(jù)交換過(guò)程為：①RSU在控制信道CCH 上發(fā)布 WSA（WAVE service advertisement），WSA中包含有說(shuō)明WBSS（WAVE basic service set）存在和WBSS所提供服務(wù)的信息.②OBU在CCH上監(jiān)聽(tīng)RSU發(fā)出的WSA信息，OBU接收到WSA之后，可直接加入到WBSS當(dāng)中接收需要的信息.③當(dāng)OBU不在需要RSU提供的服務(wù)時(shí)，可隨時(shí)退出WBSS.

2 仿真與分析

2.1 車(chē)與車(chē)數(shù)據(jù)交換

V2V數(shù)據(jù)交換仿真結(jié)果如圖4所示.運(yùn)行OBU1節(jié)點(diǎn)和OBU2節(jié)點(diǎn)分別在Android模擬器上，車(chē)輛節(jié)點(diǎn)之間通過(guò) Socket[14-15]建立通信，如圖4（a）、4（b）所示，車(chē)輛1接收到車(chē)輛2～7的信息，車(chē)輛2接收到車(chē)輛 1、3、7、8 的信息，以 OBU1 為例，點(diǎn)擊“發(fā)送汽車(chē)狀態(tài)信息”按鈕，將自身狀態(tài)信息顯示在界面上，同時(shí)將私鑰簽名后的信息發(fā)送給其他車(chē)輛，它們收到信息后，用OBU1的公鑰驗(yàn)證這個(gè)簽名，驗(yàn)證通過(guò)后顯示在用戶界面上，并且將車(chē)輛位置通過(guò)高德地圖標(biāo)出來(lái).簽名驗(yàn)證過(guò)程如圖4（c）所示.

圖4 V2V數(shù)據(jù)交換Fig.4 V2V data exchange

2.2 路與路數(shù)據(jù)交換

2.2.1 數(shù)據(jù)交換

R2R數(shù)據(jù)交換仿真結(jié)果如圖5所示.

圖5 R2R數(shù)據(jù)交換Fig.5 R2R data exchange

圖5中，運(yùn)行RSU1、RSU2、RSU3分別在3臺(tái)電腦上（Intel（R）Core（TM）CPU i5-7200u@2.50 GHz、Intel（R）Core（TM）CPU i5-5200u@2.20 GHz和 Intel（R）Core（TM）CPU i3-2300u@2.30 GHz）.以 RSU1為例，RSU1 接收到的信息如圖5（a）所示，5（b）為 RSU1 對(duì)RSU2和RSU3發(fā)送的數(shù)字簽名的驗(yàn)證過(guò)程，驗(yàn)證通過(guò)后顯示在用戶界面上.

對(duì)V2V、R2R數(shù)據(jù)交換分別進(jìn)行多次仿真測(cè)試，統(tǒng)計(jì)得出160位的ECC密鑰對(duì)生成時(shí)延在10.8 ms左右，ECDSA簽名時(shí)延在4 ms左右，驗(yàn)證時(shí)延在5.9 ms左右，總時(shí)延在20 ms以內(nèi)，且均能準(zhǔn)確驗(yàn)證并接收.

2.2.2 工作量證明

RSU1、RSU2、RSU3之間交換路況信息后，分別打包區(qū)塊頭內(nèi)容送入Pow的輸入，初始區(qū)塊版本號(hào)為“1”，前一區(qū)塊為“N/A”，難度值為“1”（對(duì)應(yīng) Target為0X000000FFFF…FFF（256 bit）），區(qū)塊哈希為 Pow 輸出的目標(biāo)哈希值.圖6所示為RSU1生成的車(chē)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟鏈區(qū)塊，區(qū)塊體包含該時(shí)間段所有RSU廣播的路況信息以及對(duì)應(yīng)hash值.所有RSU驗(yàn)證后存儲(chǔ)該區(qū)塊，開(kāi)始下一次Pow.

圖6 車(chē)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟鏈區(qū)塊Fig.6 Vehicle networking alliance chain block

2.3 車(chē)與路數(shù)據(jù)交換

V2R數(shù)據(jù)交換仿真結(jié)果如圖7所示.

圖7 V2R數(shù)據(jù)交換Fig.7 V2R data exchange

RSU獲得全市路況信息的統(tǒng)一記錄之后，向其覆蓋范圍內(nèi)的車(chē)輛廣播.圖7（a）、（b）分別為節(jié)點(diǎn) RSU1和OBU1，通過(guò)V2R數(shù)據(jù)交換，OBU1可以獲取所有RSU的信息，并將其顯示在用戶界面上.

通過(guò)RSU的分布式記錄、分布式存儲(chǔ)路況信息，每個(gè)RSU都會(huì)存儲(chǔ)聯(lián)盟鏈上所有的數(shù)據(jù)，即使網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)遭受攻擊，也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)造成任何威脅，有效地保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和安全性，從本質(zhì)上解決了中心化模式下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不安全的問(wèn)題，同時(shí)也為駕駛員提供更加全面安全的信息服務(wù).

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于WAVE協(xié)議實(shí)現(xiàn)了V2V、R2R、V2R的數(shù)據(jù)交換.通過(guò)對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的研究，將區(qū)塊鏈應(yīng)用在非數(shù)字資產(chǎn)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析可以得出以下結(jié)論：

（1）基于去中心化的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)為節(jié)點(diǎn)間的通信帶來(lái)便利；

（2）通過(guò)橢圓曲線簽名算法（ECDSA）使得V2V、R2R交換的數(shù)據(jù)以安全可靠的方式傳輸，保證了信息的完整性和可驗(yàn)證性；

（3）基于全網(wǎng)共識(shí)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)可信的區(qū)塊鏈技術(shù)，解決了車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題.因此區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有推動(dòng)作用，未來(lái)我們將重點(diǎn)研究基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái).

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