基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲和共享模型的方案

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；車聯(lián)網(wǎng)；QC-MDPC；分布式存儲

0 引言

隨著自動駕駛的快速發(fā)展，車輛在行駛過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可應(yīng)用的范圍越來越廣，這些數(shù)據(jù)數(shù)量呈爆炸式增長，如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和共享成為現(xiàn)階段的重要問題。通過車聯(lián)網(wǎng)（Internet of Vehicle，IOV） 將使用科學(xué)技術(shù)收集和處理的數(shù)據(jù)發(fā)送給相關(guān)實(shí)體，以滿足車輛應(yīng)用范圍的需要[1]。由于車輛行駛的范圍很廣，車輛需要與路側(cè)單元（Road Side Unit，RSU）以及旁邊車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)共享，部分用戶會擔(dān)心數(shù)據(jù)在共享過程中會被惡意竊取以及篡改。為保證數(shù)據(jù)共享過程更安全和透明，在此階段，區(qū)塊鏈驅(qū)動的車聯(lián)網(wǎng)逐漸走到大眾的視野，并受到大量的關(guān)注。

巫光福等人[2]認(rèn)為車聯(lián)網(wǎng)采用云計(jì)算與邊緣計(jì)算混合的架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全共享，保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性，但是仍然存在網(wǎng)絡(luò)堵塞、網(wǎng)絡(luò)時延高、容易堵塞等問題。楊顏博等人[3]采用隱藏訪問控制的可驗(yàn)證方法提高訪問控制，使用可驗(yàn)證外包解密保證數(shù)據(jù)的安全可靠。陶永才等人[4]結(jié)合無證書代理簽名技術(shù)對車輛進(jìn)行加密，引入霧計(jì)算對車輛存儲保證車輛的可靠性。

本文將RSU作為區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，實(shí)時響應(yīng)車輛請求，為車輛提供數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄻踊?wù)。這樣，系統(tǒng)在為用戶提供安全、便捷、智能、高效的駕駛服務(wù)和體驗(yàn)的同時，可以顯著降低網(wǎng)絡(luò)延遲。由于車輛之間交換的數(shù)據(jù)包含大量用戶的隱私信息，如行駛路線、用戶身份等。在這個復(fù)雜的系統(tǒng)中，用戶的隱私很容易被泄露。針對上述問題，采取以下措施：1） 引進(jìn)基于QC - MDPC 碼的公鑰密碼和AES算法對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，保護(hù)車輛數(shù)據(jù)安全，抵抗女巫攻擊、抗量子攻擊等。2） 借助IPFS和區(qū)塊鏈對車輛的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，保證數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，使用PBFT共識算法對車輛上傳和訪問的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制驗(yàn)證，防止單一節(jié)點(diǎn)被攻擊篡改數(shù)據(jù)。3） 引入車輛假名，提高車輛的匿名性，增強(qiáng)車聯(lián)網(wǎng)的訪問安全。

1 相關(guān)知識

1.1 IPFS

星際文件系統(tǒng)（Inter Planetary File System，IPFS） 是一種將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的分布式系統(tǒng)，是分布式存儲和共享文件的超媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議[5]?，F(xiàn)階段IPFS結(jié)合多種技術(shù)形成分布式系統(tǒng)，當(dāng)文件發(fā)送至IPFS存儲，網(wǎng)絡(luò)中的所有對等體都可以使用該文件；上傳的文件被分切成多個板塊并使用唯一的哈希值進(jìn)行標(biāo)識，從而實(shí)現(xiàn)對內(nèi)容尋址的效果。它使用哈希表查找文件的內(nèi)容，將數(shù)據(jù)存儲至IPFS中，散列值存儲在塊中，大大地節(jié)省存儲空間，系統(tǒng)中會存在同樣內(nèi)容的副本信息，若篡改原數(shù)據(jù)信息，可通過對比判斷IPFS中的信息是否發(fā)生改變，故使用副本可以保護(hù)IIPn5lAq3KPi2eWXiNGwwsL9A==PFFSS可的以用永戶久數(shù)存據(jù)儲不和被共篡享改數(shù)。據(jù)IPF，S沒具有有單以點(diǎn)下故特障點(diǎn)。：12）） IIPPFFSS是可基以于存內(nèi)儲容各的種尋類址型。

1.2 基于QC - MDPC碼的公鑰密碼體系

對于LDPC碼本就存在的稀疏性提出基于QC - MDPC 公鑰密碼體系[6]，已知LDPC碼具有以下定義1。

定義1 （LDPC/MDPC 碼）： 一個（n， r， w）LDPC 或MDPC碼是長度為n，余維為r的線性碼，其中，r =n-k，k（k＜n）表示碼的維度，其允許一個恒行權(quán)重w的奇偶校驗(yàn)矩陣。

中密度準(zhǔn)循環(huán)奇偶校驗(yàn)（QC - MDPC）碼是采用準(zhǔn)循環(huán)形式的密度相對更高的LDPC碼。QC - MDPC碼的準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)奇偶校驗(yàn)矩陣HQC 如式1所示，其中，Hij是循環(huán)塊矩陣，由H11線性變化循環(huán)得到。

2 車聯(lián)網(wǎng)的共享模型

2.1 模型的邏輯框架

基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲與共享模型主要包含以下實(shí)體：可信權(quán)威機(jī)構(gòu)（Trusted Authority，TA）、數(shù)據(jù)擁有者（Data owner，DO） 、數(shù)據(jù)請求者（Data user， DU）、聯(lián)盟鏈（Consortium blockchain， CB）、RSU、IPFS。

對上述實(shí)體進(jìn)行詳細(xì)描述

TA：TA作為一個完全可信的中央權(quán)威機(jī)構(gòu)。主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化，為車輛生成假名并保存注冊表數(shù)據(jù)。

DOs：數(shù)據(jù)所有者。車輛需要共享數(shù)據(jù)時，DO一般為車輛需要共享數(shù)據(jù)的時候的角色。車輛行駛過程中，DO可以通過路載單元收集共享信息并對信息進(jìn)行加密，最后將密文數(shù)據(jù)上傳至IPFS存儲。

DUs：數(shù)據(jù)消費(fèi)者。車輛需要訪問共享數(shù)據(jù)時，DU為車輛請求訪問數(shù)據(jù)的角色。需要注意的是，只有DU運(yùn)行的時候，才可以向RSU發(fā)送訪問請求。

聯(lián)盟鏈：車輛區(qū)域內(nèi)的RSU作為聯(lián)盟鏈的節(jié)點(diǎn)，同步車聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)與IPFS 存儲的密文對應(yīng)的哈希值。

RSU：通信單元，是車輛和外部進(jìn)行信息傳輸?shù)臉屑~。RSU作為聯(lián)盟鏈的節(jié)點(diǎn)，可以同步記錄車輛的數(shù)據(jù)共享記錄和IPFS返回的哈希值。

IPFS：用于存儲RSU發(fā)送的密文數(shù)據(jù)。

PKI：密鑰中心，使用密鑰生成算法生成車輛用戶對應(yīng)的私鑰和公鑰。

2.2 模型的運(yùn)行流程

本文模型基于聯(lián)盟鏈、IPFS、TA、DOs、DUs、PKI、RSU等組件提出車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模型，模型的運(yùn)行流程包括系統(tǒng)初始化、密鑰生成、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)解密5個階段。

1）系統(tǒng)初，始化注。車登輛記節(jié)，生點(diǎn)成在車交輛通假管名理和局車（T輛ran的s?私鑰，只有注冊過的車輛才可以在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)共享。

2） 密鑰生成。通過安全可信的密鑰中心，PKI使用基于QC - MDPC 碼的公鑰密碼體系生成車輛對應(yīng)的公私鑰：輸入車輛假名RIDi 和向量參數(shù)（n，r，w，m，t），運(yùn)行密鑰生成算法生成公私鑰。

3） 數(shù)據(jù)加密。車輛將需要共享的數(shù)據(jù)使用AES 進(jìn)行加密，對AES加密密鑰使用密鑰中心生成的公鑰進(jìn)行加密。

4） 數(shù)據(jù)上傳。DO將加密后的共享密鑰、自身的公鑰和假名信息以及簽名請求存儲至IPFS，最后將返回IPFS的索引值、數(shù)據(jù)記錄給RSU，寫入聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行共識記錄。

5） 數(shù)據(jù)解密。DU 向RSU 提出訪問交易請求，RSU驗(yàn)證通過后根據(jù)IPFS索引值地址讀取加密文件，使用譯碼算法解密得到共享數(shù)據(jù)。RSU將此操作記錄上鏈存儲。

3 模型描述

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享前需要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，為車輛節(jié)點(diǎn)完成車輛登記，生成注冊表，確保系統(tǒng)在運(yùn)行過程的安全性。

TA 選擇隨機(jī)數(shù)Z*P 作為主密鑰，TA保存主密鑰msk = α，根據(jù)車輛匿名身份信息計(jì)算SKi = msk RIDi = αRIDi 作為車輛用戶的私鑰。TA將車輛匿名身份和用戶私鑰{RIDi，SKi} 通過安全信道發(fā)送給車輛。系統(tǒng)中的車輛節(jié)點(diǎn)在TA中完成注冊，TA備份所有通過全網(wǎng)認(rèn)證的節(jié)點(diǎn)信息，從而完成身份認(rèn)證。

3.2 密鑰生成

PKI密鑰中心為車輛生成對應(yīng)的公鑰和私鑰：PKI 首先對進(jìn)入密鑰中心的車輛RIDi隨機(jī)選擇向量h0， h1…h(huán)m - 1，權(quán)重w/m。其中，w為QC - MDPC 碼的權(quán)值（n，r，w），m為子矩陣的個數(shù)。對于每個節(jié)點(diǎn)i，PKI選擇隨機(jī)選擇權(quán)重為3 w 2的向量并發(fā)布（n，r，w，m，t），節(jié)點(diǎn)i 使用hRIDi ← hash（RIDi ）將RID映射到二進(jìn)制中，構(gòu)造校驗(yàn)矩HQC = [ HQC1|HQC2|…|HQCm - 1 ]，生成Hi。節(jié)點(diǎn)i使用公式（3） 計(jì)算生成器矩陣，得到公鑰Gi。具體步驟如算法1：

3.3 模型的數(shù)據(jù)加密

DO將自己所需要共享上傳的數(shù)據(jù)Mi 使用對稱密鑰k 進(jìn)行AES 對稱加密得到密文CTAES，CTAES = E （k，Mi ） ，使用QC - MDPC 編碼算法，DO隨機(jī)選擇一個n長序列e∈F n2，滿足w（e） ≤ t， 計(jì)算C = k × Gi + e，得到密文C。

3.4 數(shù)據(jù)上傳

DO 將密文CT=（C，CTAES）使用算法2 將數(shù)據(jù)T{ A= SigSKiCThash，CT，RIDi，Gi，}上傳至IPFS，其中，CT是生成的密文，RIDi 和G 是車輛用戶的公鑰和假名身份，SigSKiCThash 是用戶對交易信息的簽名。IPFS對CT計(jì)算將得到唯一地址索引值address返回給RSU，DO將上傳數(shù)據(jù)記錄DOup = {Tup，H （ti ） }發(fā)送至RSU，其中，Tup 為數(shù)據(jù)上傳時間，H （ti ）為訪問數(shù)據(jù)時間。為了防止DO上傳虛假數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈中的主節(jié)點(diǎn)RSU在區(qū)塊鏈上記錄DOup 進(jìn)行數(shù)據(jù)審計(jì)后，采用拜占庭容錯共識（PBFT） 算法，將數(shù)據(jù)相關(guān)信息記錄到區(qū)塊鏈上中。此外，RSU可以根據(jù)DOup 實(shí)現(xiàn)高效的密文檢索。

3.5 數(shù)據(jù)解密

DU需要訪問數(shù)據(jù)時，向最近的RSU請求訪問共享數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生一個區(qū)塊鏈交易請求TB ={PKB，RIDB，SigB }發(fā)送至RSU中，RSU作為區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)會對該交易信息進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證成功，從指定的地址接收密文C 進(jìn)行譯碼算法BF得到共享密鑰k：對接收到的有效比特計(jì)算其對應(yīng)的伴隨子并給出upc方程不成立的總數(shù)。不斷翻轉(zhuǎn)更新比特因子，其中每輪迭代給出的判決門限τ，τ = maxupc - δ，δ 為隨機(jī)生成的小整數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)評估和模型分析

4.1 車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模型比較分析

本文模型與現(xiàn)有的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模型在以下4 個方面進(jìn)行比較，具體比較如表1所示，相對文獻(xiàn)[8] 的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的集中式存儲，本方案提供的分布式存儲可以解決發(fā)生單點(diǎn)故障而造成的數(shù)據(jù)泄露；對于文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[9]中的使用云存儲和分布式哈希表進(jìn)行存儲，RSU存儲可以快速接收實(shí)時數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算和存儲，十分適用于區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的共識和合成，IPFS具有追溯性并且可以存儲大量數(shù)據(jù)，適用于車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲和查詢，RSU和IPFS結(jié)合存儲車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可以解決云存儲和哈希表存儲數(shù)據(jù)有限的問題。此外，本模型采用混合加密的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，AES對稱加密數(shù)據(jù)，QC - MDPC 加密對稱密鑰，保障了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，在后量子時代也有足夠的應(yīng)用范疇。

4.2 方案安全性分析

4.2.1 數(shù)據(jù)存儲安全

車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)使用AES加密算法存儲在IPFS中，并返回對應(yīng)的地址繼續(xù)存儲在RSU，相對其他的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享存儲，對稱密鑰經(jīng)過QC - MDPC 加密，該算法可以保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)安全性和可靠性，在分發(fā)密鑰時使用密鑰中心生成對應(yīng)的密鑰，保證對稱密鑰的前向和后向攻擊。與傳統(tǒng)的中心存儲不同，本文使用的是去中心化的分布式存儲，可以很好地避免因中心節(jié)點(diǎn)受到攻擊而數(shù)據(jù)存在問題，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和安全性。

本文方案基于區(qū)塊鏈并使用IPFS存儲跨域共享數(shù)據(jù)，對副本數(shù)據(jù)存儲保存，避免存在中心化單點(diǎn)故障或數(shù)據(jù)被某個惡意節(jié)點(diǎn)刪改的問題，保證數(shù)據(jù)的可用性和安全性[11]。RSU節(jié)點(diǎn)間采用PBFT 共識機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及廣播，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量少于總節(jié)點(diǎn)數(shù)的1/3時，區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)無法篡改，可有效防止單節(jié)點(diǎn)被惡意攻擊。對比文獻(xiàn)[4]中將密文數(shù)據(jù)存儲在車輛和RSU上，本文采用的IPFS+RSU共同存儲大量的數(shù)據(jù)，可以避免車輛丟失以及RSU被惡意攻擊造成的數(shù)據(jù)發(fā)生篡改。對比文獻(xiàn)[3]中使用區(qū)塊鏈直接存儲，本文方案可以避免因存在數(shù)據(jù)過多影響區(qū)塊鏈的性能。

4.2.2 數(shù)據(jù)訪問安全

車輛訪問共享數(shù)據(jù)時，首先會向RSU產(chǎn)生區(qū)塊鏈交易請求，區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)對交易的請求進(jìn)行驗(yàn)證共識，只有超過2/3節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證通過后才可以得到IPFS存儲數(shù)據(jù)的地址，獲取對應(yīng)的密文，使用譯碼算法才能解密得到明文數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)訪問安全。

4.3 方案性能分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享方案是否能滿足數(shù)據(jù)的需要，能否保障數(shù)據(jù)安全，對此對本方案進(jìn)行模擬分析。測試采用QC- MDPC加密數(shù)據(jù)的效率，故使用交通仿真軟件SUMO 模擬環(huán)境模擬過程。表2為本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置的不同數(shù)量車輛以及路邊單元和其他參數(shù)的設(shè)置。

4.3.1 通信開銷

如圖2所示，比較無證書加密和本文采用的QC - MDPC 碼加密過程中密文加密效率隨著車輛密度的變化趨勢。從圖中可以看到，當(dāng)車輛密度較低時，使用無證書加密的方案，密文加密效率遠(yuǎn)大于QC - MDPC 碼加密，但當(dāng)車輛密度變大后，區(qū)域內(nèi)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大，無證書的加密效率低于QC - MDPC 碼。QC - MDPC 具有密鑰量較少、算法復(fù)雜度較低等優(yōu)點(diǎn)，可以運(yùn)用于大量數(shù)據(jù)中的安全數(shù)據(jù)共享，相較其他的方案所需存儲密鑰大大減少，有更快的解密速度，可降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷。

4.3.2 時間開銷

對數(shù)據(jù)共享和密文下載兩個階段進(jìn)行仿真，仿真實(shí)驗(yàn)后圖3展示數(shù)據(jù)共享的時間消耗，模擬車輛密度從20到100數(shù)據(jù)共享的計(jì)算開銷。圖4展示在密文下載階段的時間消耗，從仿真實(shí)驗(yàn)可以看到，隨著車輛密度增加，參與數(shù)據(jù)共享和傳輸數(shù)據(jù)的車輛也越來越多，但是從圖中可以看出，本文的模型計(jì)算開銷比較穩(wěn)定，可以很好地應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。

5 結(jié)束語

針對區(qū)塊鏈車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享中存在車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)隱私安全問題，本文提出新的數(shù)據(jù)存儲和共享模型，現(xiàn)階段大部分?jǐn)?shù)據(jù)共享都采用的是無證書加密和基于身份驗(yàn)證的加密，很難抵抗大量的數(shù)據(jù)攻擊。本文提出IPFS存儲數(shù)據(jù)，后返回地址給區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)RSU 混合存儲，利用區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)的不變性，保證數(shù)據(jù)的不可篡改和可追溯性；提出QC - MDPC 碼和AES共同加密數(shù)據(jù)，保證車輛數(shù)據(jù)可以抵抗量子、女巫等攻擊。通過安全性分析，車輛訪問數(shù)據(jù)需要PBFT共識交易請求，未授權(quán)的用戶無法得到車輛數(shù)據(jù)以及篡改數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)安全。通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，可以得到模型可以符合實(shí)際要求，未來可以對區(qū)塊鏈的共識算法進(jìn)行修改，獲取更低時延和吞吐量。