CN112948339A - 一种信息共享区块链分区方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种信息共享区块链分区方法、系统、设备及存储介质，包括以下步骤：S1：由可信机构生成初始化参数，路侧单元向信息中心上传地理位置信息并形成集合；S2：进行平衡聚类，对路侧单元进行分区规划；S3：选择路侧单元中权益值最大的节点作为领导者，其余路侧单元作为从节点；S4：领导者接收发送广播请求的命令，向各从节点发送广播消息；S5：各从节点对广播消息进行验证，验证成功后广播消息，反馈响应信息至领导者；S6：领导者判断各从节点相同响应数量是否超过预设阈值，是则将响应信息记录上链。本发明能够解决传统中心化车联网架构的中心化、实体间相互不信任的问题及传统区块链架构中延迟较高，可扩展性较差的问题，降低性能损耗。

Description

一种信息共享区块链分区方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明属于区块链技术领域，具体涉及一种信息共享区块链分区方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
作为智能交通系统的一部分，车联网可通过车辆间的交通信息共享，改善道路安全，增加交通流量并减少拥堵。但是，如果车辆发送的交通信息在旅途中丢失或被篡改，则会影响驾驶员的决策，从而导致路线严重偏离，甚至威胁到车辆或驾驶员的安全。
车联网系统中，传统的架构主要包括了车辆、路侧单元（Road-Side Unit，后文称RSU）、证书颁发机构 (Certificate authority，后文称CA)、核心网。信息通过车辆上的传感器进行采集，并通过路侧单元（ROAD-SIDE UNIT）向上层进行传输，最后汇总到核心网进行集中处理。信息共享主要通过两种通信模式发生，包括车对车（V2V）和车对路边（V2R）单元。与其他车辆共享非敏感信息可以提高系统效率。但是，信息是通过非安全通道传输的，并且容易被攻击者拦截或篡改。RSU（路侧单元）可以在车辆附近进行信息计算和共享，但却仍然存在隐私和安全问题。在安全性方面，路侧单元（ROAD-SIDE UNIT）没有任何强大的安全措施，存储在其中的信息很容易被窃取；在隐私性方面，车辆可能因为隐私考虑不愿意将其信息上传到路侧单元。同时随着传感器技术和车联网技术的不断发展，信息量剧增，中心化系统的架构对信息进行集中管理的方式会使得中心实体负载过大，带来瓶颈问题。而车联网也面临着单点故障的风险。因此为了应对这些挑战，需研究去中心化的车联网结构，改善信任和隐私，以确保通信过程的安全性和完整性。因此，有必要设计一种安全可靠的分散式信息存储系统。
为了解决上述存在的问题，近年来区块链技术被广泛地引入车联网技术领域，Wang等人发表的Data Security Sharing and Storage Based on a ConsortiumBlockchain in a Vehicular Ad-hoc Network提出了一种基于联盟区块链（DSSCB）的车联网信息安全共享和存储系统，但是存在未考虑车联网场景下共识机制认证效率等问题。目前区块链在车联网的信息共享应用中存在算力消耗、性能、可监管性、去中心化以及安全性等方面仍然无法达到完美的平衡的问题。由于车联网领域中海量终端设备计算能力和存储能力受限，网络架构相对复杂，以及扩展需求强的特点，目前的共识并不完全适用于车联网，而现有传统架构下的吞吐量不能满足车联网场景下的频繁信息记录。
在专利公开号CN110675221A的专利中一种基于物联网和区块链的电动汽车充电桩管理系统，安装并运行有充电桩管理软件且分布在不同地理位置的区块数据库服务器A、区块数据库服务器B、区块数据库服务器C、区块数据库服务器N，以所述的任一区块数据库服务器作为一个区块节点，连接构成充电桩管理信息区块链网络；充电桩管理软件的区块数据库中存储有充电桩基本数据信息、充电桩对某一特定电动汽车充电起止时间信息；还包括：智能终端在充电桩管理软件客户端同步匹配与电动汽车距离在某一特定范围内的充电桩信息。本发明促进了充电桩基本数据信息与充电桩对某一特定电动汽车充电起止时间信息的开放共享、互联互通，使电动汽车和充电桩网络实现相互匹配，提升用户体验。
上述专利中利用区块链技术至物联网中，与车联网领域类似，其中区块链分区技术将网络分成大小几乎相同的子区块链网络，每个分区只处理本分区内的交易行为。这使得并行计算成为可能，从而增加了整个区块链的吞吐量。在这个系统中，某些节点将只处理某些分区的事务，这使得所有分区上处理的事务的总吞吐量，要比系统中只拥有一个主分区的单个分区要高得多。分区技术将多个区块链并行发起，成倍提升了区块链的吞吐量，例如，以太坊2.0分区、Zilliqa分区和MultiVac分区都是分区扩容方案中广受关注的项目，分区技术在并行化上的出色表现使得其成为优秀的扩容方案之一。然而现有分区技术主要是地址分区，分区一旦确定，任意节点在其生命周期内都属于同一分区，节点固化于某一分区，无法适应其交易需求随机变化这一特点，将导致大量跨片交易发生。由于跨片交易处理的计算复杂度及开销远高于片内交易，这将使得系统通量的提升受到制约。
且在Liu等人2020年在《IEEE Internet of Things Journal》发表的DQN basedOptimization Framework for Secure Sharded Blockchain Systems提出一种基于深度强化学习（DRL）技术的分区动态调整架构。该方案虽然提高了区块链分区的性能，但未考虑到在实际的车联网应用中，由于节点实际地理位置而造成的频繁跨分区交易。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种信息共享区块链分区方法、系统、设备及存储介质，解决了传统中心化车联网架构的中心化、实体间相互不信任的问题及传统区块链架构中延迟较高，可扩展性较差的问题，降低了区块链分区间跨片交易带来的性能损耗，降低了跨片交易在所有交易中占的比例，从而提高区块链分区系统的吞吐量。
本发明的技术方案如下所示：
一种信息共享区块链分区方法，包括以下步骤：
S1：由可信机构生成初始化参数，路侧单元在身份注册并获取可信机构的许可授权后，向信息中心上传地理位置信息并形成集合；
S2：对由路侧单元的位置信息形成的集合进行平衡聚类，对路侧单元进行分区规划形成若干分区；
S3：利用预设的算法在各分区中进行领导者和委员会的选择，选择路侧单元中权益值最大的节点作为领导者，其余路侧单元作为从节点；
S4：由各分区的领导者接收发送广播请求的命令，并由委员会向各从节点发送广播消息；
S5：各从节点对广播消息进行验证，验证成功后广播消息，同时反馈响应信息至领导者；
S6：领导者等待并接收从节点的响应信息，并判断各从节点相同响应数量是否超过预设阈值，是则将响应信息记录上链。
优选的，所述步骤S1中还包括路侧单元注册，具体为：选取两个满足双线性映射的群G和GT(G×G→GT)，Zq 是阶为q-1的乘法群，随机选取s∈Zq作为系统密钥生成器，计算Ppub＝sP作为系统公钥。并为每一个RSU选择私钥ki∈Zq ， 并计算相应的公钥Ki=kiP。并通过安全信道发送给路侧单元。
优选的，所述步骤S1中的位置信息上传过程为：路侧单元向信息中心上传地理位置的经度与纬度，信息中心记录获得授权的路侧单元地理位置信息，记录于集合L中。
优选的，所述步骤S2中所述平衡聚类的过程为：从步骤S1中获取的集合里随机选择分区中心，计算每个路侧单元离其最近的分区中心的距离，构建最小堆，从堆中提取点，并将其分配给最近的分区直至路侧单元数量达到预设阈值，计算下一最近分区中心，重新建立新的分区。
优选的，对所述平衡聚类的过程进行迭代，具体为：
期望步骤：按照k均值计算更新的分区中心；
最大化：遍历所有点，比较当前分区中心与所有比当前分区更近的分区中心：
a、若另一个分区小于当前分区，则将点移至新分区；
b、若另一个分区或任意距离较近的分区有需交换的点，则交换两个分区分配，若不只一个可交换分区，则选择总距离减少最多交换方案；
c、如非a，b情况，则提交一个交换分区的请求。
优选的，所述步骤S3中利用拜占庭容错委派的权益证明算法并行选择每个分区中的委员会与领导者，由信息中心选择Stake值最大的m个路侧单元节点作为分区中的委员会，路侧单元在一定时间内持有的Stake数值可以表示为每辆车报告的真实事件百分比的总和
Figure 988289DEST_PATH_IMAGE001
，设置上限Fmax以避免受到攻击的攻击者有意增加其持有的Stake数值。并在委员会中选择Stake值最大的节点作为块领导者。
本发明提供了一种信息共享区块链分区系统，基于所述的信息共享区块链分区方法，包括：
可信机构：用于生成初始化参数，完成对路侧单元的身份认证及秘钥生成；
信息中心：用于接收路测单元的地理位置信息进行平衡聚类，分区生成及参与各分区领导者、管委会的随机选择；
路侧单元：用于提供地理位置信息、标识信息，广播消息及反馈共享信息数据包至信息中心；
所述路侧单元的各分区中包括领导者、委员会和其他成员，领导者、委员会通过信息中心中预设的算法选择产生。
本发明提供了一种用户设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述信息共享区块链分区方法的步骤。
本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述信息共享区块链分区方法的步骤。
本发明的技术效果为：
本发明提供了基于地理位置的降低交易延迟、提升可扩展性的车联网区块链分区架构，能够解决传统中心化车联网架构的中心化、实体间相互不信任的问题以及传统区块链架构中延迟较高，可扩展性较差的问题。
本发明还能够降低区块链分区间跨片交易带来的性能损耗，降低跨片交易在所有交易中占的比例，从而提高区块链分区系统的吞吐量。
附图说明
图1为本发明中信息共享区块链的分区流程示意图。
图2为本发明中信息共享区块链的消息结构框图。
图3为本发明中信息共享区块链的架构示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1和图2所示，一种信息共享区块链分区方法，在车联网环境下基于地理位置来实现，具体为：
1、系统初始化。
在初始化阶段中，由可信机构为整个系统与所有RSU(即路侧单元ROAD-SIDEUNIT，下文简称RSU)生成参数，RSU在加入区块链架构前需先获得许可，RSU在可信机构中注册后向信息中心发送地理位置信息用于进行后续的平衡聚类操作。
上述步骤1具体包括：
由TA(即TRUSTED AUTHORITY 可信机构，下文简称TA)生成初始化参数，选取两个满足双线性映射的群G和GT(G×G→GT)，Zq 是阶为q-1的乘法群，随机选取s∈Zq作为系统密钥生成器，计算Ppub＝sP作为系统公钥。并为每一个RSU选择私钥ki∈Zq ， 并计算相应的公钥Ki=kiP。并通过安全信道发送给路侧单元。
RSU向信息中心上传地理位置信息（Longtitudei，Latitudei），信息中心记录获得授权的RSU地理位置信息，记录于集合L中。
2、地理位置平衡。
信息中心根据获得的RSU地理位置信息集合L以及标识信息，进行平衡聚类，并将分区消息发送至RSU，其中步骤2具体为：
从地理位置列表中随机选择分区中心；
对于每个RSU，计算到其最近的分区中心的距离，构建最小堆。从堆中提取点，并将其分配给最近的分区，除非该分区已满。若分区已满，计算下一最近分区中心，重新插入分区；
对上述过程进行迭代，按照k均值计算更新的分区中心。k均值算法是一种基于迭代的聚类算法。 具体步骤为随机选择k个对象作为初始聚类中心，然后计算每个对象与每个初识聚类中心之间的距离，并将每个对象分配给最接近它的聚类中心。遍历所有点（仅一批或全部一批），比较当前分区中心与所有比当前分区更近的分区中心出现如下情况：
1）如果是其他分区：如果另一个分区小于当前分区，只需将其移至新分区。
2）如果另一个分区（或任何距离较近的分区）有需交换的点，则交换两个分区分配。
3）如非1）、2）情况则提交一个交换分区的请求。
3、使用拜占庭容错委派的权益证明（BFT-DPoS）算法并行选择每个分区中的委员会于领导者。在初始领导者选举中，由信息中心进行随机选择， 在每个分区中，选择的m个RSU节点作为该时期中分区中的块生成器。
RSU在一定时间内持有的Stake数值可以表示为每辆车报告的真实事件百分比的总和
Figure 804935DEST_PATH_IMAGE001
，设置了上限Fmax以避免受到攻击的攻击者有意增加其持有的Stake数值。
4、当车辆(Vi)进行事故信息共享时，向临近车辆发送事故信息数据包Gp，验证车辆验证事故信息，并将验证信息包Vp发送至车辆Vi，车辆Vi将事故信息、事故信息验证数据HM=Hash(M)以及整合其他信息打包成新的信息包Vd发送给邻近RSU。
5、邻近RSU发送事故消息记录上链请求至分区内领导者，分区内领导者运行PBFT(PRACTICAL BYZANTINE FAULT TOLERANCE，实用拜占庭容错算法)共识机制验证事故信息数据包，在运行三阶段协议后将事故信息记录上链。
上述步骤5中具体包括：
当分片内的领导者接收请求后，启动三阶段的协议以向委员会内的各从节点广播请求。领导者给请求赋值一个序列号n，广播序号分配消息和请求消息，并构造PRE-PREPARE消息给各从节点。
委员会内从节点接收PRE-PREPARE消息，并向其他服务节点广播PREPARE消息：各节点对视图内的请求和次序进行验证后，广播COMMIT消息，对收到的事故信息数据包进行验证，并发送结果至领导者以响应。领导者等待来自不同节点的响应，若有m+1个响应相同，则该响应即为运算的结果。
如图3所示，本发明实施例还提供了一种信息共享区块链分区系统，基于上述的信息共享区块链分区方法，包括：
可信机构：用于生成初始化参数，完成对路侧单元的身份认证及秘钥生成；
信息中心：用于接收路测单元的地理位置信息进行平衡聚类，分区生成及参与各分区领导者、管委会的随机选择；
路侧单元：用于提供地理位置信息、标识信息，广播消息及反馈共享信息数据包至信息中心；
路侧单元的各分区中包括领导者、委员会和其他成员，领导者、委员会通过信息中心中预设的算法选择产生。
本发明还提供了一种用户设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现信息共享区块链分区方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现信息共享区块链分区方法的步骤。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种信息共享区块链分区方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：由可信机构生成初始化参数，路侧单元在身份注册并获取可信机构的许可授权后，向信息中心上传地理位置信息并形成集合；
S2：进行平衡聚类，对路侧单元进行分区规划形成若干分区；
S3：利用预设的算法在各分区中进行领导者和委员会的选择，选择路侧单元中权益值最大的节点作为领导者，其余路侧单元作为从节点；
S4：由各分区的领导者接收发送广播请求的命令，并由委员会向各从节点发送广播消息；
S5：各从节点对广播消息进行验证，验证成功后进行广播节点广播消息，同时反馈响应信息至领导者；
S6：领导者等待并接收从节点的响应信息，并判断各从节点相同响应数量是否超过预设阈值，是则将响应信息记录上链。
2.根据权利要求1所述的信息共享区块链分区方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括路侧单元注册，具体为：选取两个满足双线性映射的群G和GT(G×G→GT)，Zq 是阶为q-1的乘法群，随机选取s∈Zq作为系统密钥生成器，计算Ppub＝sP作为系统公钥；
并为每一个RSU选择私钥ki∈Zq , 并计算相应的公钥Ki=kiP；
并通过安全信道发送给路侧单元。
3.根据权利要求1所述的信息共享区块链分区方法，其特征在于，所述步骤S1中的位置信息上传过程为：路侧单元向信息中心上传地理位置的经度与纬度，信息中心记录获得授权的路侧单元地理位置信息，记录于集合L中。
4.根据权利要求1所述的信息共享区块链分区方法，其特征在于，所述步骤S2中所述平衡聚类的过程为：从步骤S1中获取的集合里随机选择分区中心，计算每个路侧单元离其最近的分区中心的距离，构建最小堆，从堆中提取点，并将其分配给最近的分区直至路侧单元数量达到预设阈值，计算下一最近分区中心，重新建立新的分区。
5.根据权利要求1所述的信息共享区块链分区方法，其特征在于，对所述平衡聚类的过程进行迭代，具体为：
期望步骤：按照k均值算法计算更新的分区中心；
最大化：遍历所有路侧单元节点，比较当前分区中心与所有比当前分区更近的分区中心：
a、若另一个分区小于当前分区，则将点移至新分区；
b、若另一个分区或任意距离较近的分区有需交换的点，则交换两个分区分配，若不只一个可交换分区，则选择总距离减少最多交换方案；
c、如非a，b情况，则提交一个交换分区的请求。
6.根据权利要求1所述的信息共享区块链分区方法，其特征在于，所述步骤S3中利用拜占庭容错委派的权益证明算法并行选择每个分区中的委员会与领导者，由信息中心选择Stake值最大的m个路侧单元节点作为分区中的委员会，路侧单元在一定时间内持有的Stake数值可以表示为每辆车报告的真实事件百分比的总和
Figure 738796DEST_PATH_IMAGE001
，设置上限Fmax避免受到攻击的攻击者有意增加其持有的Stake数值；
并在委员会中选择Stake值最大的节点作为块领导者。
7.一种信息共享区块链分区系统，基于权利要求1-6中任意一项所述的信息共享区块链分区方法，其特征在于，包括：
可信机构：用于生成初始化参数，完成对路侧单元的身份认证及秘钥生成；
信息中心：用于接收路侧单元的地理位置信息进行平衡聚类，分区生成及参与各分区领导者、管委会的随机选择；
路侧单元：用于提供地理位置信息、标识信息，广播消息及反馈共享信息数据包至信息中心；
所述路侧单元的各分区中包括领导者、委员会和其他成员，领导者、委员会通过信息中心中预设的算法选择产生。
8.一种用户设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
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