CN113810880B - 基于区块链的车联网信息共享方法、存储介质及路侧单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的车联网信息共享方法、存储介质及路侧单元，方法包括数据共享、行为监测和车辆评价；所述数据共享包括：路侧单元接收由车辆感知并上传的信息，并将所述信息发布给服务器和所述路侧单元内的其它车辆；路侧单元接收由服务器根据所述信息作出的决策指令，并将所述决策指令发布给车辆；所述行为监测包括：路侧单元根据预设的违规准则监测并记录车辆的违规情况；所述车辆评价包括：路侧单元从区块链中获取信息的质量评分并确定综合评分，并根据上传该信息的车辆的违规情况，确定所述车辆的声誉值和服务费，并发布至区块链。具有可减少车联网的通信开销，可减少恶意数据上传的优点。

Description

基于区块链的车联网信息共享方法、存储介质及路侧单元

技术领域

本发明涉及车联网技术领域，尤其涉及基于区块链的车联网信息共享方法、存储介质及路侧单元。

背景技术

由于物联网技术的不断发展及汽车的普及，车联网概念的出现为协同智能交通系统(C-ITS)提供了可能性，车联网也成为物联网的重要组成部分。通过激光雷达、毫米波雷达和安装在车辆和路侧单元上的摄像头等感知设备提取和聚合静态和动态信息，车辆能够与另一辆车(V2V)或基础设施(V2I)通信，同时也共享其观察到的交通信息数据。但是，由于利益驱使或者硬件故障，车辆共享的数据可能有误。此外，由于车联网环境的复杂性，同一地区的车辆可能会观察到类似的数据，但是如果这些都共享重叠的数据，就会造成通信和计算资源的浪费，甚至可能造成通信链路的进一步堵塞，最终导致车联网瘫痪。同时，用户的隐私及数据的安全性问题也亟待解决。

针对上述问题，现有技术中提出了一种基于信用的安全数据共享机制，将数据共享过程建模为商品交易问题，并采用强化学习算法。这些方法可以帮助交易双方实现利益最大化。但是，由于道路上存在大量的车辆，时刻都在产生海量的交通数据信息，过多的数据交互会使得该过程模型变得极为复杂，难以实现。

针对用户隐私保护问题，智能合约的数据共享方案和区块链实现了高效和安全的数据共享，利用区块链的去中心化，信息不可撤销，安全、透明、高效等特点，部分地解决了关于数据共享的安全性问题。但对数据重复共享，虚假数据等问题，以上技术并没有很好的解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可以基于区块链的，可减少车联网的通信开销，可减少恶意数据上传的车联网信息共享方法、存储介质及路侧单元。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于区块链的车联网信息共享方法，包括数据共享、行为监测和车辆评价；

所述数据共享包括：路侧单元接收由车辆感知并上传的信息，并共享信息；所述路侧单元接收由所述服务器根据所述信息作出的决策指令，并将所述决策指令发布给车辆；

所述行为监测包括：路侧单元根据预设的违规准则监测并记录车辆的违规情况；

所述车辆评价包括：路侧单元从区块链中获取信息的质量评分并确定综合评分，并根据上传该信息的车辆的违规情况，确定所述车辆的声誉值和服务费，并发布至区块链。

进一步地，述路侧单元接收由车辆感知并上传的信息包括：

所述路侧单元接收车辆上传的信息指纹，通过过滤器判断所述信息指纹是否重复，重复则不要求车辆上传所感知的信息，不重复则存储所述信息指纹，要求并接收车辆上传所感知的信息。

进一步地，所述过滤器为布谷鸟过滤器；所述路侧单元接收车辆上传的信息指纹，以及所述信息的第一哈希值和第二哈希值；当所述信息指纹已存储在布谷鸟过滤器的指纹表中由所述第一哈希值或所述第二哈希值所指示的位置，则判断信息指纹重复，否则判断所述信息指纹不重复，将所述信息指纹存储在指纹表中由所述第一哈希值或所述第二哈希值所指示的位置。

进一步地，在所述数据共享中，所述路侧单元共享信息包括：路侧单元将所述信息共享给预设距离范围内的其它路侧单元，所述其它路侧单元再将所述信息共享给其服务的车辆。

进一步地，将所述路侧单元按照其被设置的地理位置进行编码，并根据编码的变化量来确定预设距离范围。

进一步地，所述违规准则包括：

车辆未按照预设的周期上传感知的信息，判定车辆违规；

和/或：

车辆未执行所述决策指令，判定车辆违规。

进一步地，所述车辆评价中，所述质量评分为车辆对在同一路侧单元内的其它车辆所提交信息质量的评分；

所述综合评分根据式(1)

式(1)中，score_i为对车辆i的综合评分，repu_j为车辆j的声誉值，score_j→i为车辆j对车辆i的质量评分，m为路侧单元内对车辆i作出质量评分的车辆数量，i、j为车辆编号。

进一步地，所述声誉值按照式(2)和/或式(3)所示方式调整：

repu_i＝repu_i·(1-ε)^μ (3)

式(2)和式(3)中，repu_i为车辆i的声誉值，score_i为对车辆i的综合评分，ρ、σ、ε为预设参数，ρ∈(0,1)，σ∈(1,+∞)，ε∈(0,1)，μ为车辆i的违规次数；

所述服务费按照式(4)所示方式调整：

fee_i＝(repu_i)^η (4)

式(4)中，fee_i为对车辆i的服务费，repu_i为车辆i的声誉值，η为预设参数，η∈(-∞,0)。

一种存储介质，所述存储介质中存储有被执行时可实现如上任一项所述基于区块链的车联网信息共享方法的程序。

一种路侧单元，包括处理器和存储介质，所述处理器用于执行所述存储介质中存储的程序，所述存储介质为如上所述的存储介质。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过路侧单元来实现车辆所感知信息的上传与信息在路侧单元内的共享，有效降低了数据共享中的通信开销，并基于区块链技术，通过对信息的质量评分、声誉值及服务费机制，可有效促使车辆上传真实的信息，确保车辆所共享的信息的真实性、可信度，也有可效使得服务器正确的作出决策指令对车辆提供全局最优的指引

2、本发明中，路侧单元先接收车辆上传的信息指纹，通过布谷鸟过滤器对指纹进行处理，判断信息是否重复，仅在数据为非重复数据时，才要求车辆上传信息，有效降低了车辆上传信息的数量，有效降低了通信开销。

3、本发明中，在同一路侧单元内，根据车辆在路由表中的距离来确定信息需要共享的范围，既避免了不必要的通信，节省了通信成本，同时也减少了车辆对无关信息进行质量评分，使得整个车联网系统更加高效。

附图说明

图1为本发明具体实施例的系统模型示意图。

图2为本发明具体实施例数据传播示意图。

图3为本发明具体实施例路侧单元及车辆的编码示意图。

图4为本发明具体实施例仿真实验链上部分操作gas消耗图。

图5为本发明具体实施例仿真实验链上部分延时图。

图6为本发明具体实施例仿真实验中数据上传中的通信开销对比图。

图7为本发明具体实施例仿真实验中数据转发中的通信开销对比图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

在基于区块链的车联网中，车辆、路侧单元(Road-Side Unit，RSU)、云服务提供商(Cloud Service Provider，CSP，服务器)均是区块链中的节点，车辆、路侧单元、服务器之间网络连接。每个路侧单元都具有一定范围的服务区域，为该服务区域内的车辆提供服务。在本技术方案中，服务器指云服务提供商，是一个虚拟的概念，在物理实体是可能包含一台或多台服务器设备以及相应的应用软件。在本实施例中，设有m个路侧单元，第i个路侧单元的服务区域记为area_i，设某路侧单元的服务区域内有n台车辆，车辆记为v_j，j∈[1,n]。

本实施例的基于区块链的车联网信息共享方法，如图1和图2所示，包括数据共享、行为监测和车辆评价；其中，数据共享包括：路侧单元接收由车辆感知并上传的信息，并共享信息；所述路侧单元接收由所述服务器根据所述信息作出的决策指令，并将所述决策指令发布给车辆；所述行为监测包括：路侧单元根据预设的违规准则监测并记录车辆的违规情况；所述车辆评价包括：路侧单元从区块链中获取信息的质量评分并确定综合评分，并根据上传该信息的车辆的违规情况，确定所述车辆的声誉值和服务费，并发布至区块链。如2中，仅以车辆j为感知信息的车辆，车辆i为对车辆j所感知的信息进行评分的车辆为例进行说明，在实际中，车辆i和车辆j均可感知信息，并可对其它车辆的所感知的信息进行质量评分。在本实施例中，对于同一路侧单元服务范围内的车辆，车辆之间不仅可以通过路侧单元来共享信息，也可以直接共享感知的信息。

在本实施例中，路侧单元、车辆都是区块链中的节点，通过区块链系统的部署与初始化，完成区块链智能合约在各节点上的部署。在本实施例中，优选路侧单元为区块链链中的全节点，车辆作为区块链中的轻节点，从而车辆只需要存在区块链的块头信息，而使用存储容量有限的SPV(Simple Payment Verification，简单支付验证)技术来验证交易的真实性，降低车辆对存储空间，运算能力的需求。

在本实施例中，车辆进入路侧单元的服务范围，与路侧单元建立通信联系。从路侧单元中获取交通信息和相应的驾驶决策信息。同时，为了提高自身的信誉度，车辆会主动感知周边信息(包括车辆本身的信息，如车速、位置，交通标志信息，如红绿灯，交通事件信息，如交通事故信息，环境信息，如附近的车辆情况，等等)，并主动分享所感知到的信息，用于服务器进行进一步的交通优化。车辆通过自身获取的信息，以及通过路侧单元接收到来自同一区域(即同一路侧单元的服务范围内)其它车辆共享的信息，自行决策行驶方案，但该决策仅仅只是当前信息条件下的决策，即仅仅只能达到局部的最优，而不是全局最优，甚至还有可能导致更糟糕的交通状况。而服务器通过获取全局范围内车辆所提交的信息，进行全局最优决策，并将决策指引通过路侧单元发布给各车辆，为各车辆提供行驶指引。

在本实施例中，路侧单元接收由车辆感知并上传的信息包括：路侧单元接收车辆上传的信息指纹，通过过滤器判断信息指纹是否重复，重复则不要求车辆上传所感知的信息，不重复则存储信息指纹，要求并接收车辆上传所感知的信息。在本实施例中，过滤器优选为布谷鸟过滤器；路侧单元接收车辆上传的信息指纹，以及信息的第一哈希值和第二哈希值；当信息指纹已存储在布谷鸟过滤器的指纹表中由第一哈希值或第二哈希值所指示的位置，则判断信息指纹重复，否则判断信息指纹不重复，将信息指纹存储在指纹表中由第一哈希值或第二哈希值所指示的位置。

在本实施例中，布谷鸟过滤器具有一个m位数组作为指纹存储器，而数组中的每个元素为桶，每个桶可存储n个指纹数据，即为m×n的二维结构，记为bucket[1…m][1…n]，1…m、1…n表示其取值范围。同时，布谷鸟过滤器还具有第一哈希函数h1和第二哈希函数h2共两个公开哈希函数，以及公开的指纹函数。车辆v_j在感知获取到信息reco_j后，通过上述公开的函数，可以计算得到该信息的信息指纹FP_j，第一哈希值hash₁和第二哈希值hash₂。路侧单元获利到信息指纹FP_j，第一哈希值hash₁和第二哈希值hash₂后，则检索指纹存储器，当该信息指纹FP_j已在bucket[hash₁][1…n]或bucket[hash₂][1…n]中存在，则认为车辆v_j所感知到的信息reco_j为重复信息，不再要求该车辆上传该信息。否则，则判断bucket[hash₁][1…n]中该n个元素均已存储有数据，如果有元素为空，则直接将该信息指纹FP_j存储到为空的元素位置，如果均已存储有数据，则用该信息指纹FP_j替换原来已存储的数据，被替换的数据根据布谷鸟过滤器的算法替换更早的数据。本实施例通过在路侧单元中部署布谷鸟过滤器，可有效降低车辆的通信开销，也解决了大量车辆聚合带来的通信瓶颈问题。

在本实施例中，在所述数据共享中，所述路侧单元共享信息包括：路侧单元将所述信息共享给预设距离范围内的其它路侧单元，所述其它路侧单元再将所述信息共享给其服务的车辆。在本实施例中，优选将所述路侧单元按照其被设置的地理位置进行编码，并根据编码的变化量来确定预设距离范围。如路侧单元沿道路每间隔1公里设置一个，并按照顺序对路侧单元进行编码。在本实施例中，优选路侧单元还为其服务范围内的车辆确定车辆编码，并根据路侧单元自身的编码和车辆编码生成路由表，并分享路由表。车辆根据路由表就可以自主的确定同一路侧单元的服务范围内的车辆，以及车辆间的路由距离，该路由距离不是指车辆之间真实的地理位置的距离，而是根据路侧单元的编码的变化量所确定的距离。如图3所示，路侧单元的编码和车辆编码都为二进制编码，其中，路侧单元的编码为α位，车辆编码为β位，路侧单元及路侧单元服务范围内的车辆均被组织成树状结构，路由表则为可表示为图3所示的树状结构。如图3中，仅看路侧单元的α位，每个叶节点代表一个路侧单元，编码为00的路侧单元的服务范围为area₀，编码为01的路侧单元的服务范围为area₁，编码为10的路侧单元的服务范围为area₂，编码为11的路侧单元的服务范围为area₃，那么，编码为00的路侧单元和编码为01的路侧单元之间的距离为1，编码为00的路侧单元和编码为11的路侧单元之间的距离为3。通过此种编码方式，可以通过对α位的路侧单元的编码进行异或计算，就可以方便的确定路侧单元之间的距离。图3中，车辆编码也为二进制编码，并也组织成树状结构，分别挂载在对应的路侧单元的编码下。车辆通过获取路侧单元共享的路由表，就可以自主的确定同一路侧单元的服务范围内有多少车辆，并也可以很方便的根据路由表中前α位来确定车辆之间的距离。

在本实施例中，违规准则包括：车辆未按照预设的周期上传感知的信息，判定车辆违规；和/或：车辆未执行决策指令，判定车辆违规。当然，还可以根据需要设置其它违规准则，并不仅限于本实施例所公开的两种。

在车辆评价中，质量评分为车辆对在同一路侧单元内的其它车辆所提交信息质量的评分。车辆对其它车辆所提交信息的质量评分可以通过现有技术已公开的数据评分方式进行，如根据预设的评分规则，对信息进行重量评分。在本实施例中，优选车辆以自身所感知的信息为参考，对其它车辆所提交的信息进行评分，具体如式(5)所示：

式(5)中，score_j→i为车辆v_j对车辆v_i所提交信息的质量评分，n_correct为车辆v_j判定车辆v_i所提交的信息中的正确数据量，n_total为车辆v_j判定车辆v_i所提交的信息相对于车辆v_j自身所感知的信息，为相关数据的数据量。车辆感知的信息包含不同的数据，如车速，交通标识，障碍物，其它车辆等，车辆v_j在处理中，会判断这些数据内容是否相关或存在重叠，如数据都是针对同一障碍物，或同一交通标识等，则认为数据相关，否则认为数据不相关。对于相关的数据，车辆v_j需要进一步判断车辆v_i的数据是否正确，最简单的，如果两者一致，则判定车辆v_i的数据正确，否则不正确。

在本实施例中，综合评分、声誉值、服务费优选按照如下方式进行。综合评分根据式(1)

式(1)中，score_i为对车辆i的综合评分，repu_j为车辆j的声誉值，score_j→i为车辆j对车辆i的质量评分，m为路侧单元内对车辆i作出质量评分的车辆数量，i、j为车辆编号。本实施例中，在计算综合评分时考虑了作出质量评分的车辆v_j自身的声誉值，从而可以抵消恶意车辆进行恶意评分的影响，使得综合评分的可信度更高。当然，也可以通过现有技术所公开的方式，如取平均值，来确定综合评分。

在本实施例中，声誉值按照式(2)和/或式(3)所示方式调整：

repu_i＝repu_i·(1-ε)^μ (3)

式(2)和式(3)中，repu_i为车辆i的声誉值，score_i为对车辆i的综合评分，ρ、σ、ε为预设参数，ρ∈(0,1)，σ∈(1,+∞)，ε∈(0,1)，μ为车辆i的违规次数；

服务费按照式(4)所示方式调整：

fee_i＝(repu_i)^η (4)

式(4)中，fee_i为对车辆i的服务费，repu_i为车辆i的声誉值，η为预设参数，η∈(-∞,0)。通过该机制，可降低自行减少数据分享车辆或者有恶意行为的车辆的声誉值，并将声誉值与服务费，以促使车辆诚实行事，积极参与信息共享，保证整个车联网运行的稳定性。

本实施例的存储介质，存储介质中存储有被执行时可实现如上任一项基于区块链的车联网信息共享方法的程序。

本实施例的路侧单元，包括处理器和存储介质，处理器用于执行存储介质中存储的程序，存储介质为如上所述的存储介质。

在本实施例中，通过具体的仿真实验来对本发明的技术方案的区块链线上部分进行验证，在仿真实验中，采用的原型系统为基于以太坊区块链平台，利用以太坊Go语言客户端Geth搭建了基于PoA共识机制的联盟链网络。在以太坊系统中，智能合约需要执行的操作越多，其所消耗的gas越大，本实验的链上部分操作gas消耗如图4所示，图4中，a车辆在区块链上注册过程，其gas消耗值为164139，b为路侧单元在区块链上注册，其gas消耗值为66080，c车辆所属区域的路侧单元的变化，其gas消耗值为46505，d车辆间的数据评估过程，其gas消耗值为120627，e为路侧单元对车辆行为的监控评价过程，其gas消耗值为82282。区块链的时间延迟反映了交易处理的速度，如图5所示，对区块链上主要操作过程进行了1000次模拟，得到了不同操作的平均时延，数据评估操作处理这些事务花费的时间最多，将近33s。当交易数量为100时，需要的时间为3.3s，接近之前预设的区块时间。监控另一辆车行为的操作时间延迟紧随其后，处理1000笔交易大约需要26秒。延迟最少的操作是变更车辆所属区域的路侧单元的id和路侧单元注册，100笔交易分别花费0.59s和0.52s。通过在区块链下对采用布谷鸟过滤器的数据上传开销进行了测试，布谷鸟过滤器选择参数中桶数为300，每个桶可存储的指纹数8个，并且设置了一个场景，其中交通数据记录的数量从300逐渐增加到1000。图6显示了仿真实验得到的结果，这表明与直接上传数据的LVBS方案相比，使用布谷鸟过滤器对上传的记录进行重复数据消除的方案可以显著降低通信开销成本。通过对采用基于DHT的路由表在转发数据时的开销进行了测试，设置K为11并且阈值d为2³⁰，如图7所示，展示了本实施例的方案和LVBS中的广播方案在不同车辆节点数下的通信开销。由于广播需要源车辆节点与所有其他节点通信，因此通信成本随着节点数量的增加而快速增加。而本实施例的方案只需要向距离阈值d范围内的车辆传输交通数据。因此，通信开销不会随着节点数量的增加而显著增加。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于区块链的车联网信息共享方法，其特征在于：包括数据共享、行为监测和车辆评价；

所述数据共享包括：路侧单元接收由车辆感知并上传的信息，并共享信息；所述路侧单元接收由服务器根据所述信息作出的决策指令，并将所述决策指令发布给车辆；

所述行为监测包括：路侧单元根据预设的违规准则监测并记录车辆的违规情况；

所述车辆评价包括：路侧单元从区块链中获取信息的质量评分并确定综合评分，并根据上传该信息的车辆的违规情况，确定所述车辆的声誉值和服务费，并发布至区块链；

所述车辆评价中，所述质量评分为车辆对在同一路侧单元内的其它车辆所提交信息质量的评分；

所述综合评分根据式(1)计算得到，

式(1)中，score_i为对车辆i的综合评分，repu_j为车辆j的声誉值，score_j→i为车辆j对车辆i的质量评分，m为路侧单元内对车辆i作出质量评分的车辆数量，i、j为车辆编号；

所述声誉值按照式(2)和/或式(3)所示方式调整：

repu_i＝repu_i·(1-ε)^μ(3)

式(2)和式(3)中，repu_i为车辆i的声誉值，score_i为对车辆i的综合评分，ρ、σ、ε为预设参数，ρ∈(0,1)，σ∈(1,+∞)，ε∈(0,1)，μ为车辆i的违规次数；

所述服务费按照式(4)所示方式调整：

fee_i＝(repu_i)^η (4)

式(4)中，fee_i为对车辆i的服务费，repu_i为车辆i的声誉值，η为预设参数，η∈(-∞,0)。

2.根据权利要求1所述的基于区块链的车联网信息共享方法，其特征在于：所述路侧单元接收由车辆感知并上传的信息包括：

所述路侧单元接收车辆上传的信息指纹，通过过滤器判断所述信息指纹是否重复，重复则不要求车辆上传所感知的信息，不重复则存储所述信息指纹，要求并接收车辆上传所感知的信息。

3.根据权利要求2所述的基于区块链的车联网信息共享方法，其特征在于：所述过滤器为布谷鸟过滤器；所述路侧单元接收车辆上传的信息指纹，以及所述信息的第一哈希值和第二哈希值；当所述信息指纹已存储在布谷鸟过滤器的指纹表中由所述第一哈希值或所述第二哈希值所指示的位置，则判断信息指纹重复，否则判断所述信息指纹不重复，将所述信息指纹存储在指纹表中由所述第一哈希值或所述第二哈希值所指示的位置。

4.根据权利要求2所述的基于区块链的车联网信息共享方法，其特征在于：在所述数据共享中，所述路侧单元共享信息包括：路侧单元将所述信息共享给预设距离范围内的其它路侧单元，所述其它路侧单元再将所述信息共享给其服务的车辆。

5.根据权利要求4所述的基于区块链的车联网信息共享方法，其特征在于：将所述路侧单元按照其被设置的地理位置进行编码，并根据编码的变化量来确定预设距离范围。

6.根据权利要求2所述的基于区块链的车联网信息共享方法，其特征在于：所述违规准则包括：

车辆未按照预设的周期上传感知的信息，判定车辆违规；

和/或：

车辆未执行所述决策指令，判定车辆违规。

7.一种存储介质，其特征在于：所述存储介质中存储有被执行时可实现如权利要求1至6任一项所述基于区块链的车联网信息共享方法的程序。

8.一种路侧单元，其特征在于：包括处理器和存储介质，所述处理器用于执行所述存储介质中存储的程序，所述存储介质为如权利要求7所述的存储介质。

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