CN112272366A - 基于区块链的汽车紧急信息通信方法 - Google Patents

基于区块链的汽车紧急信息通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于区块链的汽车紧急信息通信方法，属于车联网中车与车之间数据传输领域。除了通过CA的认证，每一个节点同时需要由选取产生的验证组进行验证；当前车辆节点要发送紧急消息时，向当前区域及其周围区域发送验证请求。组验证中只要在可通信列表可查询到该车辆节点信息，即认为通过该区域的验证；为保证组验证的可靠性，各区域内随机挑选3个范围内RSU和5个移动节点组成验证组。已经入选成为验证组的节点在下次随机组合过程中，不再考虑，直到所有可能的组合都遍历过。优点在于：减少传统认证方案中对CA的依赖，有效检测和防护恶意节点，并保护节点的身份隐私。利用区块链技术，实现紧急信息发布可追溯，确保紧急消息的安全可靠。

Description

基于区块链的汽车紧急信息通信方法
技术领域
本发明涉及车联网中车与车之间数据传输领域，特别涉及紧急信息的传输领域，尤指一种基于区块链的汽车紧急信息通信方法。
背景技术
近年来，智能汽车在汽车市场中占据越来越重要的位置。市场研究报告预测：自2018年起，智能车辆将迎来20年左右的高速发展期，到2035年，智能车辆将占据全球25％左右的新车市场。年销量超过3000万辆，产业规模预计为2940亿元至5390亿元。其中，中国将售出超过30％，约3500万台的智能车辆，成为汽车行业转型的主要市场之一。
智能汽车的发展可促进智能交通并提供方便的信息服务，但是由于其定期广播当前位置、速度和加速度等信息的特性，存在车辆数据安全的潜在威胁。现有的管理架构都存在中心化，或可信的第三方机构，对车辆信息进行集中管理。然而，随着车联网节点数据量剧增，中心化系统的架构对车联网节点数据进行集中管理的方式使得中心实体负载过大，面临着单点故障的风险。而且一旦中心被攻击，将会带来严重的数据安全风险，造成身份、位置、社会地位等隐私泄露。因此急需研究去中心化的车联网数据通信结构，来保证用户数据的安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于区块链的汽车紧急信息通信方法，解决了现有车联网中存在的上述通信的安全问题。本发明能够保障紧急信息通信安全，其是基于区块链技术，实现紧急信息发布可追溯，以达到确保紧急消息安全合法的目的。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于区块链的汽车紧急信息通信方法，包括如下步骤：
步骤(1)节点身份认证：车联网节点在加入到网络前，执行基于云服务器和组验证的节点身份认证；若验证成功，则该车联网节点为合法节点；若验证失败，则拒绝该节点访问网络；重新执行；
步骤(2)消息发送；
步骤(3)节点数据更新：由于区块链具有无限冗余的特性，在车辆通信期间，会生成大量数据，并需要大型数据服务器长时间管理和存储数据；因此，根据车联网的实时性和移动性，定期整理区块数据。
步骤(1)所述的节点身份认证，具体步骤如下：
步骤(1.1)车联网节点启动加入网络前，发送请求给负责证书签发的认证中心CA；通过CA的认证后，车联网节点可加入区块链进行数据通信；
步骤(1.2)除了通过CA的认证，每一个节点同时需要由选取产生的验证组进行验证；
步骤(1.3)在区块链网络中，车联网节点会在其通信列表中保存一定时间内通信过的节点信息；若列表中的节点信息超出时间范围，则会被删除；RSU不仅相互之间进行可通信列表的更新，而且还与车辆节点进行通信；
步骤(1.4)当前车辆节点要发送紧急消息时，向当前区域及其周围区域发送验证请求；其中，组验证中只要在可通信列表可查询到该车辆节点信息，即认为通过该区域的验证。
步骤(1.2)所述的除了通过CA的认证，每一个节点同时需要由选取产生的验证组进行验证；为保证组验证的可靠性，各区域内随机挑选3个范围内RSU和5个移动节点组成验证组；其中，已经入选成为验证组的节点在下次随机组合过程中，将不会被考虑，直到所有可能的组合都遍历过。
步骤(1.4)所述的当前车辆节点要发送紧急消息时，向当前区域及其周围区域发送验证请求；其中，组验证中只要在可通信列表可查询到该车辆节点信息，即认为通过该区域的验证；若该车辆节点通过了当前区域及周围区域的验证，即认为该车辆节点的身份验证成功，可以参与数据通信；若未能满足上述情况，则该车辆节点停止其参与数据通信的权利，并重复上述验证过程直到完成该车辆节点的身份验证；第一次加入网络的车辆节点向其区域验证组中RSU发送验证请求；通过即认为该车辆节点的身份验证成功，否则不能参与数据的通信；总之，通过云服务器的身份认证和节点间的身份认证，才能允许车联网节点进行紧急数据通信。
步骤(2)所述的消息发送，具体步骤如下：
步骤(2.1)车辆的车载传感器时刻监听车辆自身状态，并根据自己产生的数据进行哈希计算并生成数字签名和数据包；
步骤(2.2)对发送紧急消息数据包的节点进行数字签名验证；若验证通过，广播通知区域内的车辆节点；节点执行区域间共识机制，车联网公链的主节点将接收到的紧急数据写入新区块的请求队列，存入公链通信交易列表；
步骤(2.3)当车辆节点存储量达到阈值，或从一个区域行驶到另一个区域时，删除区块链中有效期超时区块中的数据，重新跳到步骤(2.1)。
步骤(3)所述的节点数据更新是：根据车联网的实时性和移动性，在每个区块链节点上，都备份了当前区块链网络的数据；当车辆节点从一个区域移动到另一个区域时，删除在原有区域的区块链信息，并更新下载当前区域网络的区块链信息和数据；当车辆节点存储量达到阈值，则从头开始判断区块的有效期；如果区块链开头区块有效期超过，则删除该超时区块中的所有数据，否则如果区块链中间区块有效期超过，为保护区块的完整性和真实性，先删除该区块的数据，保留区块的哈希值，且当该区块处于区块链开头，则删除整个区块。
本发明的有益效果在于：智能网联汽车现在正在积极的成为交通的参与者，在参与交通活动的同时，也面临着网络安全的重大压力。恶意的汽车节点可以发送虚假交通信息，而虚假的紧急消息会带来尤其严重的后果。本发明通过云服务器的身份认证和节点间的身份认证，才能允许车联网节点进行紧急数据通信，从而减少传统认证方案中对CA的依赖，有效检测和防护恶意节点，并保护节点的身份隐私。利用区块链技术，实现紧急信息发布可追溯，确保紧急消息的安全可靠。实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的数据区块结构图；
图2为本发明的数据块存储结构图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1及图2所示，本发明的基于区块链的汽车紧急信息通信方法，包括如下步骤：
步骤(1)节点身份认证：车联网节点在加入到网络前，执行基于云服务器和组验证的节点身份认证；若验证成功，则该车联网节点为合法节点；若验证失败，则拒绝该节点访问网络；延时一段时间后，重新执行；
步骤(2)消息发送；
步骤(3)节点数据更新：由于区块链具有无限冗余的特性，在车辆通信期间，会生成大量数据，并需要大型数据服务器长时间管理和存储数据；因此，根据车联网的实时性和移动性，定期整理区块数据。
步骤(1)所述的节点身份认证，具体步骤如下：
步骤(1.1)车联网节点启动加入网络前，发送请求给负责证书签发的认证中心CA；通过CA的认证后，车联网节点可加入区块链进行数据通信；
步骤(1.2)除了通过CA的认证，每一个节点同时需要由选取产生的验证组进行验证；
步骤(1.3)在区块链网络中，车联网节点会在其通信列表中保存一定时间内通信过的节点信息；若列表中的节点信息超出时间范围，则会被删除；RSU不仅相互之间进行可通信列表的更新，而且还与车辆节点进行类似通信；
步骤(1.4)当前车辆节点要发送紧急消息时，向当前区域及其周围区域发送验证请求；其中，组验证中只要在可通信列表可查询到该车辆节点信息，即认为通过该区域的验证。
步骤(1.2)所述的除了通过CA的认证，每一个节点同时需要由选取产生的验证组进行验证；为保证组验证的可靠性，各区域内随机挑选3个范围内RSU和5个移动节点组成验证组；其中，已经入选成为验证组的节点在下次随机组合过程中，将不会被考虑，直到所有可能的组合都遍历过。
步骤(1.4)所述的当前车辆节点要发送紧急消息时，向当前区域及其周围区域发送验证请求；其中，组验证中只要在可通信列表可查询到该车辆节点信息，即认为通过该区域的验证；若该车辆节点通过了当前区域及周围区域的验证，即认为该车辆节点的身份验证成功，可以参与数据通信；若未能满足上述情况，则该车辆节点停止其参与数据通信的权利，并过一段时间重复上述验证过程直到完成该车辆节点的身份验证；第一次加入网络的车辆节点向其区域验证组中RSU发送验证请求；通过即认为该车辆节点的身份验证成功，否则不能参与数据的通信；总之，通过云服务器的身份认证和节点间的身份认证，才能允许车联网节点进行紧急数据通信，从而减少传统认证方案中对CA的依赖，有效检测和防护恶意节点，并保护节点的身份隐私。
步骤(2)所述的消息发送，具体步骤如下：
步骤(2.1)车辆的车载传感器时刻监听车辆自身状态，并根据自己产生的数据进行哈希计算并生成数字签名和表1所示的数据包；
步骤(2.2)对发送紧急消息数据包的节点进行数字签名验证；若验证通过，广播通知区域内的车辆节点；节点执行区域间共识机制，车联网公链的主节点将接收到的紧急数据写入新区块的请求队列，存入公链通信交易列表；
步骤(2.3)当车辆节点存储量达到阈值，或从一个区域行驶到另一个区域时，删除区块链中有效期超时区块中的数据，重新跳到步骤(2.1)。
步骤(3)所述的节点数据更新是：根据车联网的实时性和移动性，在每个区块链节点上，都备份了当前区块链网络的数据；当车辆节点从一个区域移动到另一个区域时，删除在原有区域的区块链信息，并更新下载当前区域网络的区块链信息和数据；当车辆节点存储量达到阈值，则从头开始判断区块的有效期；如果区块链开头区块有效期超过，则删除该超时区块中的所有数据，否则如果区块链中间区块有效期超过，为保护区块的完整性和真实性，先删除该区块的数据，保留区块的哈希值，且当该区块处于区块链开头，则删除整个区块。
实施例1：区块结构设计
本发明的区块结构设计主要分为两个部分：
1)区块头部分：主要包含时间戳、随机数、当前区块的哈希值、父区块哈希值和默克尔树根哈希值。其中区块头中的时间戳表示区块产生时的时间，当前区块的哈希值表示整个区块数据的哈希值，父区块哈希值表示上一个区块的哈希值，默克尔树根哈希值表示区块体内存储的所有车辆交易信息的根哈希值。
2)交易数据的区块体：区块体的交易区块数据由多个数据块构成，两两交叉计算哈希值，最终计算整个交易区块体的默克尔树根。每个数据块中可存储10条车辆数据条目(Data Item)，每一个区块的大小不超过1M，如图1所示。
实施例2：数据存储结构设计
所述数据存储结构如图2所示，数据块(Data block)由多个Data Item和一个数据头信息组成，其中数据头信息包含了时间戳和数据块的哈希值，可减少校验的计算成本，有利于数据块在区块链网络中传播。每一个Data Item中每条数据都包含了四个信息：时间戳(Time)、数据所有者公钥(Pk)、元数据、数据哈希(Hash)，其中元数据用于存储紧急数据。紧急数据包括交通事故、道路拥堵状态、实时路况、有效时间等特殊信息。每条数据的大小不超过1kb。根据前面三个信息(Time、Pk、元数据)，计算和存储本条数据的哈希值，方便其他节点的哈希校验，从而加快节点对区块的校验速度，减少搜索空间。
车辆的车载传感器时刻监听车辆自身状态，并根据自己产生的数据进行哈希计算并生成数字签名和表1所示的数据包。
表1数据格式
Figure BDA0002744197590000061
如表1所示，车辆节点应发送的数据包为Msig{P|sA(r,s)|Time|m|H(m)}。其中，P表示发送者的公钥，长度为65bit；sA(r,s)表示数字签名，Time表示时间戳，是至现在的总毫秒数。m表示车辆发送的元数据，H(m)表示数据摘要，采用SHA256哈希函数，长度为256位。
实施例3：节点身份认证
车联网节点在加入到网络前，执行基于云服务器和组验证的节点身份认证。若验证成功，则该车联网节点为合法节点；若验证失败，则拒绝该节点访问网络，延时一段时间后，重新执行。
3.1、在该方案中，车联网节点(车辆节点和边缘节点)启动加入网络前，发送请求给负责证书签发的CA。云服务器负责存储和管理节点的出厂信息和真实身份，方便节点注册时进行身份验证，并管理CA颁发的节点假名。当节点在具有真实身份的系统中注册后，可获得由CA颁发包括假名，一对公私钥和两个哈希值的证书。在CA给节点颁发的证书中，隐藏了节点的真实身份，可以保护节点的隐私，并根据假名+公钥的哈希值和真名+证书的哈希值，追踪恶意节点。通过CA的认证后，车联网节点可加入区块链进行数据通信。
3.2、除了通过CA的认证，每一个节点同时需要由选取产生的验证组进行验证。为保证组验证的可靠性，各区域内随机挑选3个范围内RSU和5个移动节点组成验证组。其中，已经入选成为验证组的节点在下次随机组合过程中，将不会被考虑，直到所有可能的组合都遍历过。
3.3、在区块链网络中，车联网节点会在其通信列表中保存一定时间内通信过的节点信息。若列表中的节点信息超出时间范围，则会被删除。RSU不仅相互之间进行可通信列表的更新，而且还与车辆节点进行类似通信。
3.4、当前车辆节点要发送紧急消息时，向当前区域及其周围区域发送验证请求。其中，组验证中只要在可通信列表可查询到该车辆节点信息，即认为通过该区域的验证。若该车辆节点通过了当前区域及周围区域的验证，即认为该车辆节点的身份验证成功，可以参与数据通信。若未能满足上述情况，则该车辆节点停止其参与数据通信的权利，并过一段时间重复上述验证过程直到完成该车辆节点的身份验证。第一次加入网络的车辆节点向其区域验证组中RSU发送验证请求。通过即认为该车辆节点的身份验证成功，否则不能参与数据的通信。总之，通过云服务器的身份认证和节点间的身份认证，才能允许车联网节点进行紧急数据通信，从而减少传统认证方案中对CA的依赖，有效检测和防护恶意节点，并保护节点的身份隐私。
实施例4：消息发送
4.1、车辆的车载传感器时刻监听车辆自身状态，并根据自己产生的数据进行哈希计算并生成数字签名和表1所示的数据包。
4.2、该区域中的边缘节点接收紧急消息数据包，验证数字签名。若验证通过，计算对该紧急数据感兴趣的区域，广播通知这些区域内的车辆节点。节点执行区域间共识机制，即将紧急消息提交给车联网公链的主节点。车联网公链的主节点将接收到的紧急数据写入新区块的请求队列，存入公链通信交易列表，并广播给感兴趣区域内的其他主节点。车联网公链节点保留多个感兴趣区域内主节点群中最先达被验证通过的区块，删除其他主节点生成的区块。
4.3、当车辆节点从一个区域行驶到另一个区域时删除原有区域的区块链并更新当前区域的区块链。重新跳到步骤4.1。
实施例5：节点数据更新
由于区块链具有无限冗余的特性，每个节点都备份了区块链网络的所有信息，消耗大量功率，这在车联网网络下非常难以运行和维护。在车辆通信期间，会生成大量数据，并需要大型数据服务器长时间管理和存储数据。因此，根据车联网的实时性和移动性，在每个区块链节点上，都备份了当前区块链网络的数据。当车辆节点从一个区域移动到另一个区域时，删除在原有区域的区块链信息，并更新下载当前区域网络的区块链信息和数据。当车辆节点存储量达到阈值，则从头开始判断区块的有效期。如果区块链开头区块有效期超过，则删除该超时区块中的所有数据，否则如果区块链中间区块有效期超过，为保护区块的完整性和真实性，先删除该区块的数据，保留区块的哈希值，且当该区块处于区块链开头，则删除整个区块。
RSU，是Road Side Unit的英文缩写，直译就是路侧单元的意思，是ETC系统中，安装在路侧，采用DSRC(Dedicated Short Range Communication)技术，与车载单元(OBU，OnBoard Unit)进行通讯，实现车辆身份识别，电子扣分的装置。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于区块链的汽车紧急信息通信方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤（1）节点身份认证：车联网节点在加入到网络前，执行基于云服务器和组验证的节点身份认证；若验证成功，则该车联网节点为合法节点；若验证失败，则拒绝该节点访问网络；重新执行；
步骤（2）消息发送；
步骤（3）节点数据更新：由于区块链具有无限冗余的特性，在车辆通信期间，会生成大量数据，并需要大型数据服务器长时间管理和存储数据；因此，根据车联网的实时性和移动性，定期整理区块数据。
2.根据权利要求1所述的基于区块链的汽车紧急信息通信方法，其特征在于：步骤（1）所述的节点身份认证，具体步骤如下：
步骤（1.1）车联网节点启动加入网络前，发送请求给负责证书签发的认证中心CA；通过CA的认证后，车联网节点可加入区块链进行数据通信；
步骤（1.2）除了通过CA的认证，每一个节点同时需要由选取产生的验证组进行验证；
步骤（1.3）在区块链网络中，车联网节点会在其通信列表中保存一定时间内通信过的节点信息；若列表中的节点信息超出时间范围，则会被删除；RSU不仅相互之间进行可通信列表的更新，而且还与车辆节点进行通信；
步骤（1.4）当前车辆节点要发送紧急消息时，向当前区域及其周围区域发送验证请求；其中，组验证中只要在可通信列表可查询到该车辆节点信息，即认为通过该区域的验证。
3.根据权利要求2所述的基于区块链的汽车紧急信息通信方法，其特征在于：步骤（1.2）所述的除了通过CA的认证，每一个节点同时需要由选取产生的验证组进行验证；为保证组验证的可靠性，各区域内随机挑选3个范围内RSU和5个移动节点组成验证组；其中，已经入选成为验证组的节点在下次随机组合过程中，将不会被考虑，直到所有可能的组合都遍历过。
4.根据权利要求2所述的基于区块链的汽车紧急信息通信方法，其特征在于：步骤（1.4）所述的当前车辆节点要发送紧急消息时，向当前区域及其周围区域发送验证请求；其中，组验证中只要在可通信列表可查询到该车辆节点信息，即认为通过该区域的验证；若该车辆节点通过了当前区域及周围区域的验证，即认为该车辆节点的身份验证成功，可以参与数据通信；若未能满足上述情况，则该车辆节点停止其参与数据通信的权利，并重复上述验证过程直到完成该车辆节点的身份验证；第一次加入网络的车辆节点向其区域验证组中RSU发送验证请求；通过即认为该车辆节点的身份验证成功，否则不能参与数据的通信；总之，通过云服务器的身份认证和节点间的身份认证，才能允许车联网节点进行紧急数据通信。
5.根据权利要求1所述的基于区块链的汽车紧急信息通信方法，其特征在于：步骤（2）所述的消息发送，具体步骤如下：
步骤（2.1）车辆的车载传感器时刻监听车辆自身状态，并根据自己产生的数据进行哈希计算并生成数字签名和数据包；
步骤（2.2）对发送紧急消息数据包的节点进行数字签名验证；若验证通过，广播通知区域内的车辆节点；节点执行区域间共识机制，车联网公链的主节点将接收到的紧急数据写入新区块的请求队列，存入公链通信交易列表；
步骤（2.3）当车辆节点存储量达到阈值，或从一个区域行驶到另一个区域时，删除区块链中有效期超时区块中的数据，重新跳到步骤（2.1）。
6.根据权利要求1所述的基于区块链的汽车紧急信息通信方法，其特征在于：步骤（3）所述的节点数据更新是：根据车联网的实时性和移动性，在每个区块链节点上，都备份了当前区块链网络的数据；当车辆节点从一个区域移动到另一个区域时，删除在原有区域的区块链信息，并更新下载当前区域网络的区块链信息和数据；当车辆节点存储量达到阈值，则从头开始判断区块的有效期；如果区块链开头区块有效期超过，则删除该超时区块中的所有数据，否则如果区块链中间区块有效期超过，为保护区块的完整性和真实性，先删除该区块的数据，保留区块的哈希值，且当该区块处于区块链开头，则删除整个区块。
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