CN113268543A - 一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法 - Google Patents

一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法 Download PDF

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CN113268543A CN202110547110.XA CN202110547110A CN113268543A CN 113268543 A CN113268543 A CN 113268543A CN 202110547110 A CN202110547110 A CN 202110547110A CN 113268543 A CN113268543 A CN 113268543A
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Abstract

本发明涉及一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法，属于移动通信技术领域。首先，车辆根据内容的时效性和内容发生的距离对共享的内容进行预判断，将判断正确的内容上传至路边单元(RoadSideUnit，RSU)；其次，RSU利用贝叶斯模型对其通信范围内接收到的内容进行判断验证，根据验证结果，将正确的内容存入本地控制器；然后，所有的RSU共同建立一个联盟区块链，实现内容的有效存储，采用一种基于交互频率的拜占庭容错共识机制，选取和其通信范围内车辆交互频率最高的RSU当选周期内的区块管理者；最后，结合智能合约实现有效的安全内容共享。该发明保证了高质量的内容共享，具有较高的安全性。

Description

一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法。
背景技术
车联网在第5代移动通信技术的发展中扮演着至关重要的角色，在车联网中，交通信息可以在车辆之间共享以提高交通效率，但是由于车辆的高机动性，相邻的车辆往往是陌生的，相互之间不能完全信任。当该网络中存在恶意的用户时，其发布不真实的内容，伪造数据欺骗其他车辆，这些虚假的消息可能导致交通堵塞，严重的可能导致受伤或者死亡。车联网中的路边单元(Road Side Unit)对车辆数据的实时存储和管理起重要作用，但RSU通常在没有任何安全措施的情况下沿道路分布，具有不可信的特点，容易受到攻击者的破坏。因此，出于隐私考虑，车辆可能不愿意将其内容上传到RSU。有关信任和隐私的问题给交通安全带来了巨大的隐患，此类问题仍未得到很好的解决。近年来，区块链技术由于其分散性、匿名性等特点越来越受到关注和研究，区块链技术被认为是解决此类有关隐私和信任问题的有效手段之一。另外，得益于分布式共识机制，车联网中的RSU能协作工作，维护一个一致的数据库和账本，即使部分节点受到攻击和破坏，仍能够保证可靠有效的运行。
在车联网中，安全类的内容对车辆的行车安全至关重要，但由于不可靠的行车环境，车辆往往很难判断接收到的内容的可信度。基于以上问题，本发明提供一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法。在该发明中，首先，车辆根据内容的时效性和内容发生的距离对共享的内容进行预判断,将判断正确的内容上传至RSU；其次，RSU利用贝叶斯模型对其通信范围内接收到的内容进行判断验证，根据验证结果，将正确的内容存入本地控制器；然后，所有的RSU共同建立一个联盟区块链，实现内容的有效存储，采用一种基于交互频率的拜占庭容错共识机制，选取和其通信范围内车辆交互频率最高的RSU当选周期内的区块管理者；最后，结合智能合约实现有效的安全内容共享。该发明保证了车联网中车辆之间高质量的内容共享，具有较高的安全性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法。该方法根据所提供网络场景的特性，车辆对共享内容进行预判断后上传至其可通信的RSU，RSU利用贝叶斯模型对收集的内容进行验证判断，与其他RSU组成共识层，结合区块链和智能合约技术，通过一种基于交互频率的授权拜占庭容错共识机制实现安全内容的有效存储与共享。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法，该方法包括以下步骤：
S1：基于区块链技术的安全内容共享模型；
S2：安全内容的可信性评估方案；
S3：基于交互频率的拜占庭容错共识协议；
S4：联合区块链及智能合约技术的安全内容存储及共享方案。
进一步，在步骤S1中，建立一个安全内容共享模型。
进一步，在步骤S2中，安全内容具有不确定性，为了防止车辆上传虚假信息或车辆被RSU判定为恶意节点，共享内容的车辆对其上传的内容进行预判断，对某安全内容ej的可信性定义为如下：
Figure BDA0003074051380000021
其中，
Figure BDA0003074051380000022
表示为车辆k对其将上传的安全内容ej的可信性评估，
Figure BDA0003074051380000023
表示为车辆k与事件发生位置之间的距离，
Figure BDA0003074051380000024
表示为车辆k获知事件安全内容的时间tk与事件发生时间t的时间差
Figure BDA0003074051380000025
b是内容可信性的下限，α和β控制可信性的变化率，α+β＝1，车辆k距离事件发生的距离越短，获知事件发生的时间越早，该安全内容更值得信任。当
Figure BDA0003074051380000026
大于设定的阈值Th，车辆认为其上传的内容是真实的，可信度高的，将该安全内容及对该内容的可信性预判断结果上传至与其可通信的RSU。
RSUi收集在其通信范围内的安全内容集及相应的可信性预判断结果集C，
Figure BDA0003074051380000027
在获得可信性集合的基础上，利用贝叶斯模型推理计算出内容e的聚合可信度P：
Figure BDA0003074051380000028
其中，P(e/C)表示事件e的聚合可信度，
Figure BDA00030740513800000210
表示为e的互补事件，P(ck/e)＝ck；
Figure BDA0003074051380000029
P(e)表示为内容e的先验概率。P(e/C)∈[0,1]。一旦P(e/C)超过预设的阈值Thr，接收方RSU认为该内容是真实可信的。对上传真实内容，且对安全内容可信性评估与RSU一致的车辆奖励相应的代币。对上传虚假信息的车辆扣除相应的代币，用户的代币可以为负，当某车辆的代币很少或者为负时，该车辆没有支付能力，不能从该网络中获取其需要的内容。
进一步，在步骤S3中，共识过程由授权的RSU共同执行，共识过程中充当leader角色的RSU是在周期内与车辆交互频率最高RSU，交互频率定义如下：
Figure BDA0003074051380000031
其中，rik表示为RSUi与其通信范围内车辆k的交互频率，fik表示为RSUi与其通信范围内车辆交互频率的总和占整个网络中RSU与车辆交互频率的比值，比值越大表明该RSUi在周期内处理的内容最多，交互频率最高的RSUi当选为该周期的leader，负责区块的管理。其他RSU充当普通的共识节点进行区块的验证。
leader将主导这次的共识过程，如果区块链网络中的共识节点总数为n，拜占庭容错机制允许存在的异常节点数为f，f＝(n-1)/3，详细的共识步骤如下：
在周期T内，充当leader的RSU将共识层内的数据块收集打包集成一个区块。leader将区块数据附带上时间戳、签名广播给其他共识节点进行验证。每个共识节点收到来自leader发送的区块内容后开始验证并审核内容的正确性和完整性，审核完成后将审计结果附带上其签名并广播至其他节点。若共识节点从其他节点收集的审核结果数量大于2f，该节点向所有共识节点发送确认消息，表示该节点准备阶段完成。如果共识节点收集到(2f+1)条确认消息，表示达成共识，该区块被写入区块链中。完成区块的写入后，该周期内的leader将获得奖励。若没有达成共识，leader会分析审核结果，有必要时再进行一轮共识。
进一步，在步骤S4中，基于区块链及智能合约技术的安全内容存储及共享方案，RSU在时间周期内，获得安全内容集并对其可信性进行评估，对于正确的内容，RSU存入其本地控制器，生成相应的存储地址，之后将该内容的属性、内容拥有者ID、内容存储的地址打包进数据块，等待验证后写入区块链。
本发明的有益效果在于：
智能合约是一段部署在区块链上的计算机程序，具有确定性、透明性及可追溯性。在此阶段中RSU扮演的是智能合约的部署者，RSU将该周期内验证正确并记录在区块链的内容及相应的价格(相同的内容价格一致)等写入智能合约。车辆扮演的是智能合约的调用者，内容请求者进入一个新的区域想要获得该区域的信息，该车辆进入此区域后下载最新的区块链信息，查询其需要的内容及对应的价格，向RSU发送其需要的内容共享请求并同时触发智能合约，RSU首先验证该内容请求者的身份及钱包里的代币数量，身份验证成功并且钱包里有足够的代币数量，共享的内容直接从其存储的本地控制器发送至内容请求者，并扣除内容请求者账户中相应的代币，若该内容请求者的账户没有足够的代币支付该交易，则该交易失败，安全内容共享不成功。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为基于区块链技术的安全内容共享模型；
图2为智能合约逻辑框架示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1描述了一个由车辆和RSU构成的安全内容共享网络模型。该模型主要包括车辆、相互连接的RSU和一个可信的权威机构(Trust Authority，TA)。
TA：完全可信，负责维护整个车联网系统，RSU和车辆想要参与网络首先向TA注册，TA为每个参与该网络的成员生成基于身份的密钥，证书，钱包地址等。
车辆：配备先进通信设备，具有无线通信能力，从传感设备收集本地安全类内容，对内容做出预判断后上传至其可通信距的RSU，并与内容请求者共享内容。收集并共享内容的车辆扮演内容提供者；需要与交通相关的信息，请求内容的车辆扮演内容请求者，车辆根据其不同的需要扮演不同的角色。
RSU：具有一定的存储和计算能力，收集其通信范围内车辆上传的内容及对应的预判断结果，评估内容集的可信度，将正确的内容存入其本地控制器，与其他RSU组成共识层，维护一个共同的数据库。
RSU想要参与共识验证或获得打包权，在进入该网络时向TA提交一笔押金，若RSU在共识过程中存在不诚实的行为，不积极参与验证过程，发布虚假的数据块，经核实以后该RSU的押金将被没收。
图2描述智能合约逻辑框架示意图，智能合约是一段部署在区块链上的计算机程序，在部署以后会开始自我执行并完成自我验证，可以看作是参与者之间的契约。利用智能合约实现内容的共享，具有确定性，透明性及可追溯性。智能合约的组成成分主要有：智能合约的部署者，智能合约的调用者。智能合约的生命周期分为三个部分：合约生成、合约发布、合约执行。
合约生成：RSU在内容共享阶段扮演的是智能合约的部署者，在一个周期T内，RSU将其收集的真实内容打包成数据块，leader负责将数据块集成区块发布，验证成功后将区块写入链中，内容成功存储进RSU的本地控制器内，不可更改。之后，RSU确定合约的规范和功能，如对应的内容地址，内容价格(相同的内容价格一致)等，通过开发得到合约代码。
合约发布：RSU将部署的智能合约分发给每个节点，达成一致的合约被写入区块中。
合约执行：车辆进入一个新的区域，想获得关于此区域的道路信息，该车辆成为内容请求者。内容请求者下载最新的区块链信息，查询其需要的内容及对应的价格后，向RSU发送内容请求，同时触发智能合约。RSU首先验证该内容请求者的身份和钱包里的代币数量，身份验证成功并且钱包里有足够的代币数量，请求的内容直接从其存储的本地控制器发送至内容请求者，并扣除相应的代币。若该内容请求者的账户没有足够的代币支付这笔交易，则该交易失败，内容共享不成功。
基于区块链的安全内容共享实施步骤主要分为以下几步：
1)安全内容可信性的预判断及上传；
2)安全内容可信性的评估及奖励；
3)安全内容的存储及块的生成；
4)基于交互频率的拜占庭容错共识机制；
5)基于智能合约的安全内容共享。
Step1(安全内容可信性的预判断生成及上传)：这一步在共享内容的车辆上进行，内容具有不确定性，为了防止车辆上传虚假信息或车辆被RSU判定为恶意节点，共享内容的车辆对其上传的内容进行预判断，对某安全内容ej的可信性定义为如下：
Figure BDA0003074051380000061
其中，
Figure BDA0003074051380000062
表示为车辆k对其将上传的安全内容ej的可信性评估，
Figure BDA0003074051380000063
表示为车辆k与事件发生位置之间的距离，
Figure BDA0003074051380000064
表示为车辆k获知事件安全内容的时间tk与事件发生时间t的时间差
Figure BDA0003074051380000065
b是内容可信性的下限，α和β控制可信性的变化率，α+β＝1，车辆k距离事件发生的距离越短，获知事件发生的时间越早，该安全内容更值得信任。当
Figure BDA0003074051380000066
大于设定的阈值Th，车辆认为其上传的内容是真实的，可信度高的，将该安全内容及对该内容的可信性预判断结果上传至与其可通信的RSU；当
Figure BDA0003074051380000067
小于设定的阈值，车辆认为其上传的内容不可靠，可信度不高，选择不再上传该内容。
Step2(安全内容可信性评估及奖励)：这一步在RSU上进行，RSUi收集在其通信范围内的安全内容集及相应的可信性预判断结果集C，
Figure BDA0003074051380000068
在获得可信性集合的基础上，利用贝叶斯推理计算出内容e的聚合可信度P：
Figure BDA0003074051380000069
其中，P(e/C)表示事件e的聚合可信度，e表示为e的互补事件，P(ck/e)＝ck；
Figure BDA00030740513800000610
P(e)表示为内容e的先验概率。P(e/C)∈[0,1]。一旦P(e/C)超过预设的阈值Thr，接收方RSU认为该内容是真实可信的。对上传真实内容，且对安全内容可信性评估与RSU一致的车辆奖励相应的代币。对上传虚假信息的车辆扣除相应的代币，用户的代币可以为负，当某车辆的代币很少或者为负时，该车辆没有支付能力，不能从该网络中获取其需要的内容。
Step3(安全内容的存储及块的生成)：RSU在时间周期内，获得安全内容集并对其可信性进行评估，对于正确的内容，RSU存入其本地控制器，生成相应的存储地址，之后将该内容的属性、内容拥有者ID、内容存储的地址打包进数据块，等待验证后写入区块链。
在周期内担任leader角色的共识节点进行区块的打包，并将验证成功的区块写入区块链获得相应的奖励，若充当leader的RSU有恶意行为或在周期内未生成相应区块，该RSU存入TA的押金将被没收。
Step4(基于交互频率的拜占庭容错共识机制)共识过程由授权的RSU共同执行，共识过程中充当leader角色的RSU是在周期内与车辆交互频率最高RSU，交互频率定义如下：
Figure BDA0003074051380000071
其中，rik表示为RSUi与其通信范围内车辆k的交互频率，fik表示为RSUi与其通信范围内车辆交互频率的总和占整个网络中RSU与车辆交互频率的比值，比值越大表明该RSUi在周期内处理的内容最多，交互频率最高的RSUi当选为该周期的leader，负责区块的管理。其他RSU充当普通的共识节点进行区块的验证。
leader将主导这次的共识过程，如果区块链网络中的共识节点总数为n，拜占庭容错机制允许存在的异常节点数为f，f＝(n-1)/3，详细的共识步骤如下：
在周期T内，充当leader的RSU将共识层内的数据块收集打包集成一个区块。leader将区块数据附带上时间戳、签名广播给其他共识节点进行验证。每个共识节点收到来自leader发送的区块内容后开始验证并审核内容的正确性和完整性，审核完成后将审计结果附带上其签名并广播至其他节点。若共识节点从其他节点收集的审核结果数量大于2f，该节点向所有共识节点发送确认消息，表示该节点准备阶段完成。如果共识节点收集到(2f+1)条确认消息，表示达成共识，该区块被写入区块链中。完成区块的写入后，该周期内的leader获得奖励。若没有达成共识，leader会分析审核结果，有必要时再进行一轮共识。
Step5(基于智能合约的安全内容共享)：智能合约是一段部署在区块链上的计算机程序，具有确定性、透明性及可追溯性。在此阶段中RSU扮演的是智能合约的部署者，RSU将该周期内验证正确并记录在区块链的内容及相应的价格(相同的内容价格一致)等写入智能合约。车辆扮演的是智能合约的调用者，内容请求者进入一个新的区域想要获得该区域的内容信息，该车辆进入此区域后下载最新的区块链信息，查询其需要的内容及对应的价格，向RSU发送其需要的内容的共享请求并同时触发智能合约，RSU首先验证该内容请求者的身份及钱包里的代币数量，身份验证成功并且钱包里有足够的代币数量，共享的内容直接从其存储的本地控制器发送至内容请求者，并扣除内容请求者账户中的相应的代币，若该内容请求者的账户没有足够的代币支付该交易，则该交易失败，安全内容共享不成功。
为了使整个网络保持活跃的状态，实现有关安全类内容的有效共享，采用如下的激励机制：在该系统中，车辆注册成功后账户没有代币，迫使车辆成为安全内容收集者和安全内容共享者，若其想要获得某个区域的交通信息，他会保持活跃的状态，积极的参与正确安全内容的收集与共享，当获得了一定数量的代币，具有支付能力，车辆可以从区块链中获得其需要的安全内容。RSU想成为共识节点，需要先向TA交付一笔押金，若该RSU进一步想要获得打包权并以此获得相应的奖励，需要与其通信范围内的车辆积极互动，交互次数越高，处理的内容越多，越有可能成为该周期内区块的管理者，获得打包权及相应的奖励。若RSU有不诚实的行为，则其交付的押金会被没收。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法，其特征在于：该方法根据提供网络场景的特性，车辆对共享内容进行预判断后上传至与其连接的RSU，RSU利用贝叶斯模型对收集的内容进行验证判断，与其他RSU组成共识层，结合区块链和智能合约技术，通过一种基于交互频率的授权拜占庭容错共识机制实现安全内容的有效存储与共享，具体包括以下步骤：
S1：建立区块链技术的安全内容共享模型；
S2：安全内容的可信性评估；
S3：建立交互频率的拜占庭容错共识协议；
S4：联合区块链及智能合约技术的安全内容存储及共享。
2.根据权利要求1所述的一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法，其特征在于：所述S1中，建立安全内容共享模型，包括车辆、相互连接的路边单元RSU和一个可信的权威机构TA；
车辆设置有无线通信设备，从传感设备收集本地安全类内容，对内容做出预判断后上传至其可通信的RSU，并与内容请求者共享内容；
RSU收集通信范围内车辆上传的内容，评估内容的可信度，与其他RSU组成共识层；
TA完全可信，用于维护车联网系统；
RSU和车辆参与网络前，向TA进行注册，TA为每个参与该网络的成员生成基于身份的密钥、证书和钱包地址。
3.根据权利要求2所述的一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法，其特征在于：所述S2中，为防止车辆上传虚假信息或者车辆被RSU判定为恶意节点，共享内容的车辆对上传的内容进行预判断，对某安全内容e的可信性定义为
Figure FDA0003074051370000011
该可信性与内容发生的距离和时效性有关，当
Figure FDA0003074051370000012
大于事先设定的阈值Th，则认为该内容可信度高并将该内容及其可信性值上传至RSU；
RSU收集在其通信范围内的安全内容集及相应的可信性预判断结果集C，在获得可信性集合的基础上，利用贝叶斯计算出内容e的聚合可信度P，当P大于阈值Thr，则认为该内容是真实发生的。
4.根据权利要求3所述的一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法，其特征在于：所述S3中，RSU将其打包的数据块写入区块链并获得奖励，需要从所有RSU中选出一个leader负责当前周期区块的管理，leader的选取原则是基于RSU与其通信范围内车辆的交互频率，交互频率最高的RSU当选该周期内的leader；在周期内与车辆交互频率越高的RSU表明其处理的内容越多，越有机会被选为leader，管理区块并获得相应的奖励；区块打包后，采用拜占庭容错机制对区块进行验证并达成共识。
5.根据权利要求4所述的一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法，其特征在于：所述S4中，基于区块链的安全内容存储这一步在RSU上进行，RSU在一时间周期内，获得安全内容集并对其可信性进行评估，对于正确的内容，RSU存入其本地控制器，生成相应的存储地址，将该内容的属性、内容拥有者ID和内容存储的地址打包进数据块，等待验证后写入区块链。
6.根据权利要求5所述的一种车联网中基于区块链的安全内容共享管理方法，其特征在于：所述S4中，基于智能合约的安全内容共享，RSU是智能合约部署者，将交易内容，价格等写入智能合约；车辆是智能合约的调用者，车辆进入某区域后下载该区域最新的区块链信息，查询需要的内容及对应的价格，向RSU发送其需要的内容的共享请求并同时触发智能合约，RSU首先验证该内容请求者的身份及钱包里的代币数量，身份验证成功并且钱包里有足够的代币数量，共享的内容直接从其存储的本地控制器发送至内容请求者，并扣除内容请求者账户中相应的代币，若该内容请求者的账户没有足够的代币支付该交易，则该交易失败，安全内容共享不成功。
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