車聯(lián)網(wǎng)中基于區(qū)塊鏈的信用體系研究*

李鳳祥，陳秀真，馬 進(jìn)

（1.上海交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，上海 200240；2.上海市信息安全綜合管理技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引 言

近年來，隨著智慧城市、智能交通的逐步發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)受到了廣泛關(guān)注。車聯(lián)網(wǎng)中，車輛接收其他車輛廣播的事件、路況等信息來確定行車方案。如果存在惡意車輛散布虛假消息，將對正常車輛造成嚴(yán)重干擾，甚至威脅駕駛員的人身安全。因此，消息接收車輛需要了解消息發(fā)送車輛的信用值，通過對消息發(fā)送方信用值的分析判斷消息的真實(shí)性?；趨^(qū)塊鏈近幾年的迅速發(fā)展及其在很多領(lǐng)域的引進(jìn)，車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域同樣可以借鑒區(qū)塊鏈的核心思想，通過一個(gè)去中心化的、分布式的、透明的賬本來記錄、更新車輛的信用值。

目前，關(guān)于區(qū)塊鏈在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用已有一些研究。文獻(xiàn)[1]針對車聯(lián)網(wǎng)中車輛信用值進(jìn)行研究，但其重點(diǎn)在于討論區(qū)塊鏈的構(gòu)建，對于信用值的迭代更新沒有詳細(xì)展開。文獻(xiàn)[2-4]討論的是車聯(lián)網(wǎng)中的隱私保護(hù)問題，但這些文獻(xiàn)中引入的均是基于工作量證明[5]的區(qū)塊鏈。工作量證明這一概念由比特幣提出，并且實(shí)踐證明這一機(jī)制可以很好地保證區(qū)塊鏈的穩(wěn)定性。但是，工作量證明需要的強(qiáng)大算力會耗費(fèi)巨大能源，且需要大量的計(jì)算時(shí)間。文獻(xiàn)[6]指出比特幣每年的電力消耗和伊朗每年的電力消耗處于同一數(shù)量級。

因此，本文提出了一種車聯(lián)網(wǎng)中基于位置證明的區(qū)塊鏈，以替代基于工作量證明的區(qū)塊鏈，并通過基于位置證明的區(qū)塊鏈保存、更新車輛的信用值。當(dāng)車輛接收到其他車輛發(fā)送的消息時(shí)，車輛會查詢區(qū)塊鏈中保存的消息發(fā)送方車輛的信用值，然后通過貝葉斯概率公式判斷消息的真實(shí)性。

1 基于位置證明的區(qū)塊鏈

1.1 位置憑證

論文提出的基于位置證明的區(qū)塊鏈?zhǔn)紫纫鉀Q位置憑證問題，即車輛如何證明自己當(dāng)前所處的位置[7]。文獻(xiàn)[8]指出GPS可能會被欺騙，并不能作為位置憑證。圖1為本文提出的獲取位置憑證的解決方案：車輛在t1時(shí)刻向RSU發(fā)送包含其公鑰PKv的申請，RSU將返回一個(gè)隨機(jī)數(shù)Nonce，車輛用自己的私鑰SKv對Nonce簽名，并在t2時(shí)刻將簽名發(fā)送給RSU。RSU將首先計(jì)算t2-t1這一時(shí)間是否在給定閾值t內(nèi)，如果超出t，則不頒發(fā)憑證。如果沒有超出t，則檢驗(yàn)其簽名的正確性。簽名正確則頒發(fā)憑證，反之不頒發(fā)。憑證包括申請時(shí)間t1、車輛的公鑰PKv以及位置Pid。憑證的有效期為t1到t1+?t，即如果當(dāng)前時(shí)間超過t1+?t，車輛提供的位置憑證為無效憑證。RSU是一種路邊固定設(shè)備，每一個(gè)RSU可以提供一個(gè)獨(dú)一無二的Pid位置證明。

圖1 獲取位置憑證流程

1.2 位置證明

位置證明如圖2所示。區(qū)塊中包含的是前一個(gè)區(qū)塊計(jì)算出的位置Pid，當(dāng)前區(qū)塊不再需要尋找Nonce，而是提供Pid的位置憑證。令B為當(dāng)前區(qū)塊，B′為B的下一個(gè)區(qū)塊，N為Pid的總數(shù)，則由B產(chǎn)生的Pid為Ph(B)modN，h(B)為B的哈希值。B′需要提供Ph(B)modN的位置證明，如果有多個(gè)區(qū)塊同時(shí)提供了Ph(B)modN的位置證明，則選取位置證明中t1時(shí)間與B區(qū)塊產(chǎn)生時(shí)間最接近的區(qū)塊為B′。區(qū)塊最后需要被RSU簽名的原因在于：使當(dāng)前區(qū)塊無法預(yù)測其最終的哈希值，進(jìn)而無法提前預(yù)知下一個(gè)區(qū)塊的Pid。

圖2 位置證明

1.3 具體流程

基于位置證明的區(qū)塊鏈如圖3所示，根據(jù)當(dāng)前區(qū)塊的哈希值，確定下一個(gè)區(qū)塊的Pid。擁有Pid位置證明的節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組裝區(qū)塊，組裝后由RSU簽名，簽名后的區(qū)塊即為新區(qū)塊。接下來，需要判斷新區(qū)塊的合法性。首先判斷新區(qū)塊提供的位置憑證是否為Pid的位置憑證，如果不是則丟棄該區(qū)塊。其次判斷位置憑證是否超過其有效期，若超過則丟棄該區(qū)塊。如果由多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)布新區(qū)塊，則需比較這些節(jié)點(diǎn)提供的位置憑證申請時(shí)間，將最接近于當(dāng)前區(qū)塊發(fā)布時(shí)間的位置憑證的持有區(qū)塊作為當(dāng)前區(qū)塊的下一區(qū)塊。類似于比特幣，合法節(jié)點(diǎn)總是在最長合法鏈后組裝區(qū)塊；在最長合法鏈中，當(dāng)一個(gè)區(qū)塊之后有超過10個(gè)區(qū)塊時(shí)，則該區(qū)塊為確認(rèn)區(qū)塊。

圖3 基于位置證明的區(qū)塊鏈

2 車聯(lián)網(wǎng)信用體系

2.1 基于信用值計(jì)算事件真實(shí)性

定義車輛接收到的所有消息集合為M={M1,M2,…,Mj,…}，其中Mj代表關(guān)于事件Ej的所有消息集合。事件Ej代表某種交通事件，如在某地發(fā)生了某種事故。對于事件Ej，消息接收車輛可能收到多條來自不同消息發(fā)送車輛的消息。這些不同來源、描述同種事件的消息構(gòu)成了Mj。定義事件Ej的信用值集合為Cj={C1j,C2

j,…,Ckj,…}，其中 Ck

j表示發(fā)送消息Ej的編號為k的車輛的信用值，Ckj在區(qū)塊鏈中查詢。在Mj中，只有包含的位置憑證與事件Ej聲明的位置相符的消息，才會存在于Cj。

消息接收車輛基于Cj，運(yùn)用貝葉斯概率公式計(jì)算事件Ej發(fā)生的概率p(Ej|Cj)：

對于不同的事件Ej會有不同的閾值THRj。只有事件Ej發(fā)生的概率p(Ej|Cj)超過閾值THRj，消息接收車輛才會認(rèn)為事件Ej真實(shí)存在。

2.2 信用值更新

事件Ej聲明的位置內(nèi)的車輛，將在區(qū)塊鏈內(nèi)上傳事件Ej是否發(fā)生的信息。假設(shè)M臺車輛上傳事件Ej是真實(shí)的，N臺車輛上傳事件Ej是虛假的。大于閾值THR時(shí)，M臺車輛的信用值T更新為：

N臺車輛的信用值T′更新為：

其中β＞α的設(shè)定是為了滿足建立信任比毀壞信任更困難這一原則[9]。車輛信用值是在區(qū)塊鏈中的區(qū)塊內(nèi)被更新的。

3 方案性能分析

3.1 實(shí)驗(yàn)分析

計(jì)算次數(shù)結(jié)果如表1所示，PoW(n)表示證明類型為難度為n工作量證明，難度n在本實(shí)驗(yàn)中代表尋找一個(gè)隨機(jī)值Nonce，使加入Nonce后的哈希值的前n位為0。PoL表示證明類型為位置證明。從表1可以看出，隨著工作量證明難度的增加，需要嘗試的Nonce數(shù)量越來越多。當(dāng)工作量證明的難度為8時(shí)，需要計(jì)算超過15億次才能找到合適的Nonce，而位置證明只需要計(jì)算一次位置憑證是否符合要求。因此，基于位置證明的區(qū)塊鏈與基于工作量證明的區(qū)塊鏈相比，可以大大減少計(jì)算次數(shù)，從而節(jié)省計(jì)算消耗的時(shí)間和能源。

表1 計(jì)算次數(shù)結(jié)果表

圖4、圖5分別為正常車輛信用值變化圖和惡意車輛信用值變化圖，其中的1%、10%、20%為惡意車輛數(shù)量占總車輛數(shù)量的比值?？梢钥闯觯＼囕v隨著發(fā)送真實(shí)消息次數(shù)的增多，信用值不斷升高，最終趨近于1。惡意車輛隨著發(fā)送虛假信息次數(shù)的增多，信用值不斷降低，最終趨近于0。

圖4 正常車輛信用值變化

圖5 惡意車輛信用值變化

圖6、圖7分別為真實(shí)事件發(fā)生概率和虛假事件發(fā)生概率，每個(gè)圖中分為3種場景，分別為車輛總數(shù)為100輛車、車輛總數(shù)為50輛車和車輛總數(shù)為10輛車。在這3種場景中，惡意車輛占10%。由圖6可以看出，隨著信用值的不斷更新，正常車輛發(fā)送的消息所包含的事件的正確性概率趨近于1。由圖7可以看出，隨著信用值的不斷更新，惡意車輛發(fā)送的消息所包含的事件的正確性概率趨近于0。特別地，如果選擇事件Ej的THRj大于0.8，結(jié)合圖6、圖7可以看出，本文提出的信用體系將能較好地判斷事件Ej的真實(shí)性。

3.2 穩(wěn)定性理論分析

區(qū)塊鏈主要面臨51%攻擊、分叉和Sybil攻擊。本文將從這3個(gè)方面分析基于位置證明的區(qū)塊鏈的穩(wěn)定性問題。

3.2.1 51%攻擊

51%攻擊由比特幣提出。在工作量證明的比特幣中，如果攻擊者的算力超過總算力的51%，意味著攻擊者生成區(qū)塊的速度比合法節(jié)點(diǎn)生成區(qū)塊的速度快。攻擊者可以從某一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分叉，由于攻擊者生成區(qū)塊的速度更快，分叉支鏈的長度最終將超過最長合法鏈的長度，進(jìn)而自身變成最長合法鏈。由于比特幣發(fā)展迅速、規(guī)模大、總算力強(qiáng)，因此對于比特幣，51%攻擊只是理論上存在。在本文提出的位置證明的區(qū)塊鏈中，攻擊者無法預(yù)測下一個(gè)區(qū)塊需要的位置證明，也無法確保在當(dāng)前區(qū)塊確定后最快拿到下一區(qū)塊需要的位置證明。因此，攻擊者若想從某一結(jié)點(diǎn)進(jìn)行分叉，并最終使支鏈發(fā)展成最長合法鏈，只能通過控制超過51%的節(jié)點(diǎn)。由于與RSU申請位置證明的節(jié)點(diǎn)為車輛實(shí)體，控制超過51%的節(jié)點(diǎn)也就意味著需要控制超過51%的車輛。顯然，針對位置證明的51%也只是理論上存在。

圖6 真實(shí)事件發(fā)生概率

圖7 虛假事件發(fā)生概率

3.2.2 分叉

分叉是指區(qū)塊鏈中有多條合法的平行鏈，這些鏈并不是攻擊者造成的，而是自然形成的。分叉不利于區(qū)塊鏈的穩(wěn)定性，因?yàn)榉植鏁⒑戏ü?jié)點(diǎn)的總算力分散，使攻擊者只需要低于51%算力便可發(fā)動51%攻擊。在比特幣中，節(jié)點(diǎn)只會在最長合法鏈后繼續(xù)計(jì)算區(qū)塊，因?yàn)橹挥凶铋L合法鏈才會被認(rèn)可，計(jì)算出區(qū)塊才會得到比特幣作為回報(bào)，在其他鏈上計(jì)算區(qū)塊只會浪費(fèi)算力，將白白消耗電力能源。在比特幣中，由于利益驅(qū)動導(dǎo)致不會有大量分叉。在本文提出的位置證明的區(qū)塊鏈中，也需要引入獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。當(dāng)最長合法鏈中的區(qū)塊產(chǎn)生時(shí)，發(fā)布區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)會得到一定獎(jiǎng)勵(lì)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)向RSU申請位置證明時(shí)，需要付出一定的代價(jià)。這樣當(dāng)區(qū)塊鏈中存在多條合法的平行鏈時(shí)，節(jié)點(diǎn)會在最長合法鏈后發(fā)布區(qū)塊，因?yàn)橹挥羞@樣才能獲得獎(jiǎng)勵(lì)，而如果在其他鏈后發(fā)布區(qū)塊，需要向RSU申請位置證明，從而白白付出代價(jià)卻獲得不到獎(jiǎng)勵(lì)。

3.2.3 Sybil攻擊

Sybil攻擊是車聯(lián)網(wǎng)中比較典型的一種攻擊。攻擊節(jié)點(diǎn)通過偽造一個(gè)或多個(gè)身份廣播虛假消息，對合法節(jié)點(diǎn)造成干擾。本文提出的位置憑證需要節(jié)點(diǎn)，即車輛實(shí)體用自己的公鑰發(fā)出申請，RSU會頒發(fā)給節(jié)點(diǎn)包含其公鑰的位置憑證。當(dāng)節(jié)點(diǎn)廣播消息時(shí)，需要附帶RSU頒發(fā)的位置憑證。當(dāng)攻擊節(jié)點(diǎn)想要偽造身份發(fā)送虛假消息時(shí)，由于其無法提供有效的位置憑證，接收消息的節(jié)點(diǎn)將忽略此條消息。

4 結(jié) 語

論文針對車聯(lián)網(wǎng)中車輛的信用值問題，提出了基于區(qū)塊鏈的信用體系。論文通過基于位置證明的區(qū)塊鏈保存、更新車輛的信用值，運(yùn)用貝葉斯概率公式判斷消息內(nèi)描述的事件的真實(shí)性。通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，證明提出的基于位置證明的區(qū)塊鏈可以高速、穩(wěn)定運(yùn)行，從而驗(yàn)證了提出的基于區(qū)塊鏈的信用體系可以準(zhǔn)確判斷接收到的消息的真實(shí)性。